矽穀傳奇——晶體管之父：威廉·肖克利

“經常有人問我，我計劃進行的實驗是純粹為了研究還是為了應用。對我來說，搞清楚實驗是否能產生對自然界新的、持久的認識才是最重要的。如果可能會得到這樣的知識，我認為，它就是好的基礎研究，這比實驗的動機能否給試驗者帶來美感滿足更重要。”

- 威廉·肖克利，1956年12月19日，在斯德哥爾摩諾貝爾獎領獎儀式上的演講。

 

自從人類發明了蒸汽機之後，每過半個世紀，就會有一項石破驚天的發明，蒸汽機、火車、汽車、真空管、直到半個多世紀前肖克利發明的晶體管。此後，以晶體管技術為基礎的高科技革命，幾乎影響到了人類生活的每一個方麵。

二十世紀末，《洛杉磯時報》)選出了50名本世紀經濟領域最有影響力人物。並列第一的是威廉·肖克利、羅伯特·諾伊斯(Robert Noyce)和傑克·基爾比(Jack Kilby)。肖克利發明的晶體管，諾伊斯與基爾比發明的集成電路(Integrated Circuit)，奠定了第三次產業革命的基礎。現代汽車工業奠基人亨利·福特(Henry Ford)、二戰時的美國總統羅斯福、迪斯尼動畫王國創辦人瓦爾特·迪斯尼(Walter Disney)排名第二至第四位。

上世紀末，貝爾試驗室(Bell Lab)回顧它在二十世紀的發明時認為，貝爾試驗室二十世紀最具影響力的二大發明是晶體管和計算機操作係統UNIX。二十世紀是近代物理崛起的世紀，近代物理中對人們日常生活影響最大的就是半導體和電腦。比起汽車和飛機，電腦對人們日常生活的影響是全方位、無孔不入的。同時，半導體和與半導體相關的產業也成為了世界上最大的產業。這些都源於肖克利發明的晶體管和他的晶體管理論。因此，無論你怎樣評價肖克利對高科技的貢獻，都不會過分。

問題少年肖克利

威廉·肖克利於1910年2月13日出生於英國倫敦，他父母是美國人。肖克利父親方麵的直係祖先是坐五月花號來北美的第一批清教徒。3歲時，肖克利一家回到了美國加州聖克拉拉縣的帕洛·阿托市。肖克利在離聯邦電報公司一條街區以外的房子裏長大，惠普的車庫也離的不遠。肖克利是獨子，父親是采礦工程師，麻省理工學院畢業生，他精通八國語言。肖克利的母親是斯坦福大學第一批女畢業生之一。

小肖克利非常瘦弱，而且特別難帶，淘氣的出格。他的惡作劇讓人無法忍受，他曾在客廳的地毯下裝了一個開關，客人踩到時，會在其身後發出恐怖的聲響，令人大吃一驚。他收集各種奇特的寵物，與鄰家孩子相處的很緊張，而且脾氣十分暴躁。肖克利的童年很孤獨。

肖克利家的鄰居斯坦福大學教授羅斯(Perley A Ross)對童年肖克利影響很大。羅斯教授有兩個女兒，肖克利常去羅斯教授家和他的兩個女兒玩耍。羅斯教授激起了肖克利對科學技術的興趣。但肖克利的性格並沒有因此改變。

經過一段時間的觀察，肖克利父母發現他是個極特別、極倔強的孩子，他們知道加州的公立學校不適合他。他們決定在家裏自己教他，不久他們就放棄了。最後肖克利被送進了帕洛·阿托軍校(Palo Alto Military Academy)讀書。在那裏，肖克利接觸到了高科技產品——收音機和形形色色的新發明。1925年，肖克利父親去世後，他們搬到了洛杉磯，肖克利就讀於好萊塢高中(Hollywood High School)。肖克利的傲慢態在少年時就顯露無遺，他對當代的工業進步也非常著迷。1928年，在一篇高中期末論文裏，他這樣寫到：“我們處在一個機械化時代。我們能飛速旅行，能用最有效的方式打擊敵人，這一切全仰仗機械發明。”

關於肖克利的智商，有個有名的傳說：小時候，肖克利媽媽帶他去斯坦福找發明測試法的老特曼教授給他測智商。結果是129分，高於平均值100分，是個聰明人，但沒到135分的天才標準，讓媽媽大失所望。但她不死心，第二年又測了一次，這次是125分，肖克利媽媽隻好認命。有趣的是，肖克利媽媽自己也測了一下，結果是161分。看樣子智商是無法遺傳的。肖克利後來的成就說明了，一個人的成功與否，智商固然重要，但天時、地利、人和更重要。

肖克利最初讀的是加州大學洛杉磯分校物理係，一年後他轉去加州理工(CalTech)物理係，當年加州理工的教授都是名師。肖克利有著運動明星的身材，一米九三的身高，一身勻稱的肌肉，名副其實的一表人才。當地一家健身器材公司，找到肖克利做模特，專門拍了一輯廣告冊。為了保持體形，肖克利一生都沒中斷過健身及遊泳。肖克利是攀岩高手，紐約有一條以肖克利命名的攀岩路徑，叫“肖克利天棚”(Shockley Ceiling)。肖克利曾攀登過阿爾卑斯山脈的主要山峰。晚年，肖克利開始航海。1961年7月23日的一起嚴重交通事故，才使肖克利放棄了體育運動。

在洛杉磯的這些年，肖克利接受了好萊塢文化，這讓他非常喜歡出風頭。在貝爾實驗室工作時，他曾在公司餐廳裏徒手爬上了最高的一麵石牆，以此來引人注意。肖克利解釋科學理論的能力很高，他是這樣解釋放大作用：“如果你在騾子的尾巴上綁上一把點燃了的幹草，然後比較騾子狂奔時的能量和點火所需的能量，你就能理解什麽是放大作用了。”肖克利從不掩飾要用自己的才能來獲取財富，並成為百萬富翁的想法。

1932年，肖克利大學畢業。和他父親一樣，肖克利來到了麻省理工物理係功讀博士。到麻省理工不久，肖克利就以聰明在物理係出名了。不可思議的是，從讀大學起，肖克利總是帶著手槍到校注冊，這可能是帕洛·阿托軍校的影響。後來在貝爾實驗室工作時，肖克利常帶槍出門，一次在新澤西的高速公路上，他被警察因非法持槍帶到了警察局，是貝爾實驗室出麵把他保了出來。

在麻省理工的第一年，肖克利與比他大兩歲的大學同學貝莉(Jean Alberta Bailey)成婚，不久他們有了一個女兒。成家後的肖克利靠獎學金和母親的資助養家，同時用功讀書。肖克利的博士導師是曾在普林斯頓大學(University of Princeton )名教授教菲利浦·莫爾斯(Philip Morse)。莫爾斯熱愛生活，鍾情於文學、音樂、美酒和女人，物理隻是謀生手段。莫爾斯是一名出色的物理教授，他的兩個學生——肖克利和理查德·費曼，都獲得了諾貝爾物理獎。

在莫爾斯的指導下，1936年肖克利取得了博士學位，他的博士論文題目是“氯化鈉晶體中電子波函數的計算”。肖克利原打算去耶魯大學(Yale University )任教，出發前，莫爾斯推薦他去貝爾實驗室。貝爾實驗室是美國電報電話公司(AT&T)的研發機構，一個企業實驗室，一個有史以來最有名的企業實驗室。

二戰功臣

1877年，電話發明人亞曆山大·貝爾(Alexander Bell)創建了貝爾電話公司(Bell Telephone Company)，貝爾公司很快就壟斷了電話通訊市場。1895年，貝爾整合了它在美國的長途電話業務，另建了一家獨立公司——美國電報電話公司(AT&T)。從此，美國電報電話公司壟斷了美國的電話業務，進而壟斷了世界通訊行業。1925年，公司總裁瓦爾特·基福特(Walter Gifford)為確保企業未來的發展，收購了西方電子公司(Western Electronic Company)的研發部，成立了貝爾實驗室，投入大量資金，使其成為世界上最優秀的企業研究機構。貝爾實驗室集基礎研究和應用開發於一身。其基礎研究注重於電子技術的基礎理論：數學、物理、材料科學、和計算機軟硬件理論。開發部門負責設計公司的電信網絡的設備和軟件。在總公司的支持下，貝爾實驗室將美國的精英一網打盡，其中有11人獲諾貝爾獎，包括華人科學家朱棣文和崔琦。朱棣文因發明“激光冷卻和俘獲原子的方法”獲1997年諾貝爾物理獎。崔琦因對量子物理的傑出貢獻，獲1998年諾貝爾物理獎。

貝爾實驗室對高科技領域內的貢獻無論怎樣高估都不會過分。1970年代中期，貝爾實驗室每年發表2300篇論文，獲得700多個專利，是世界上最大的工業研究機構。射電天文學、晶體管、激光、太陽能、場效應管、CCD、移動通訊、UNIX操作係統、C和C++語言等理論與技術，均出自貝爾實驗室。貝爾實驗室的成果，絕大多數國家都趕不上。2008年，隨著人才大量流失，及母公司的虧損，貝爾實驗室宣布退出基礎科學及芯片研究領域。如今的貝爾實驗室已很少有人提起了。

1936年的貝爾實驗室人才濟濟、成果輩出。肖克利在克林頓·戴維森(Clinton Davisson)的研究小組工作。戴維森因發現電子衍射現象，獲1936年諾貝爾物理獎，他是能讓肖克利為之折服的人。在戴維森的指導下，肖克利發表了多篇固體物理學論文，並於1938年獲得了第一個專利：“電子倍增放大器”。1939年，肖克利就構思了一個把導線埋入氧化銅的場效應管，盡管這一器件從未被製造出來，但這是1960年代後在集成電路中廣泛使用的場效應器件的雛形。

肖克利還碰巧構思了世界上第一個核反應堆。1939年，全世界的物理學家的注意力都在核裂變上。貝爾實驗室指定肖克利和詹姆斯·費斯克(James Fisk)對核裂變作為新能源的可行性做一調研。貝爾實驗室給了兩人一間小房間。一天，肖克利在家淋浴時，突然想到：“如果把兩塊鈾分開，中子就會慢下來，也就是說不會被俘獲，這樣的話就能用其來轟擊鈾235。”兩個月後，兩人製作出了世界上第一個核反應堆模型。這件事立刻被報到了華盛頓。美國政府嚴密封鎖了這一成果，連美國科學家都不讓知道。美國政府用一切可能阻止了肖克利和費克斯申請專利。直到二戰結束後，曼哈頓計劃(Manhattan Project)的科學家們才知道此事，而他們是用同一想法發明了肖克利和費克斯的核反應堆。

二戰期間，肖克利在軍隊研究部門工作，擔任哥侖比亞大學(Columbia University)的海軍反潛艇研究組(Antisubmarine Warfare Operations Research Group)主任，研製深水潛艇炸彈。肖克利的研究小組解決了深水潛艇炸彈問題，使美國海軍對德國U型潛艇的擊沉率上升了五倍。肖克利的研究小組還研究出了一種新的潛艇搜索方法，提高了美國海軍對德國潛艇的擊沉率。1944年後他主持了一個空軍新型雷達投彈瞄準器的訓練計劃，以訓練B-29轟炸機飛行員為主。為了檢驗實戰效果，他有三個月在世界各地的空軍基地檢驗實戰效果。正因為肖克利的研究，B-29成為對日本本土實施地毯式轟炸的主力，並在廣島和長崎扔下了兩顆原子彈。

二戰未期，美國曾準備對日本本土展開大規模的兩棲登陸作戰，代號“沒落行動”(Operation Downfall)，想以此迫降日本。為最大限度避免傷亡，美國軍方和情報部門在行動前要對風險進行了全麵評估。美國戰爭部長委托肖克利作一份傷亡評估報告。經分析，肖克利認為登陸作戰會造成日本500到1000萬軍民的傷亡。日本會是全民參戰，美軍傷亡會在170到400萬人，死亡人數會達到40到80萬。評估報告影響了高層決策，“沒落行動”因此未能付諸實施，美國以向日本投擲兩顆原子彈結束了戰事。肖克利是洛斯阿拉莫斯實驗室之外的最高級別的平民參戰人員，二戰期間，他是少數幾個能接觸到最高軍事機密的人。為表彰肖克利在二戰期間的貢獻，1946年，戰爭部長羅伯特·帕特森(Robert P Patterson)授予了肖克利特殊貢獻勳章(National Medal of Merit)。 布什與特曼也曾獲得了這一殊榮。

研發晶體管

二戰後，肖克利回到了貝爾實驗室。貝爾實驗室成立了固體物理研究小組，他們要製造一種能替代真空管的半導體器件。肖克利任組長，化學家史丹利·摩根(Stanley Morgan)任副組長，成員有物理、化學、電子方麵的專家。其中包括約翰·巴丁(John Bardeen)、瓦爾特·布萊頓(Walter Brattain)、希爾伯特·摩爾(Hilbert Moore)等人。

半導體是一類摻了雜質的晶體材料。這類摻雜後的晶體材料，會有整流作用，就是說這類材料隻能讓電子或空穴一種電流通過，不像導體，無論是電子電流還是空穴電流都能通過。因為半導體是晶體摻雜，而晶體具有良好的導熱性、並且很穩定，因此晶體管取代真空管是必然的。但隻有整流二極管沒有放大器，晶體管仍無法和真空管競爭。貝爾實驗室的肖克利研究小組，是要用鍺和矽來製造這一放大器件。

巴丁是固體物理專家，理論造詣很高。1928年他從威斯康辛大學(University of Wisconsin-Madison)電機係畢業，然後在海灣石油公司(Gulf Research Lab)做了三年工程師，1933年進入普林斯頓大學物理係深造，1936年獲物理係博士學位。巴丁曾任哈佛大學研究員。二戰期間，巴丁在華盛頓海軍軍械實驗室服役，1945年加入貝爾實驗室。巴丁是唯一的兩次諾貝爾物理獎得主。他在普林斯頓大學的導師維格納(Eugene Wigner)是1963年諾貝爾物理獎得主。

布萊頓是一位實驗大師。布萊頓1902年出生於中國廈門，1929年於明尼蘇達大學(University of Minnesota)取得物理學博士學位後，加入貝爾實驗室。布萊頓是一位高超的實驗物理學家。布萊頓在貝爾實驗室工作到65歲退休。退休後，他回到華盛頓州，在母校惠特曼學院(Whitman College)教了5年書，才真正退休。

此前，貝爾實驗室就對半導體材料進行了研究，發現摻雜的半導體整流性能比真空管好。因此小組把注意力放在了鍺和矽這兩種半導體材料上。在肖克利的領導下，他們嚐試、失敗、再嚐試、再失敗。1947年12月15日，這次巴丁的表麵效應理論與布萊頓精湛的實驗結出了碩果。布萊頓用刀片在三角形金箔上劃出了兩道極細的縫隙，然後兩邊分別接上導線，用彈簧將其壓進鍺塊表麵。這是一個由鍺、電池、金線、彈簧、紙板、組成的小裝置。連好線後，當鍺塊上的兩個接觸點越來越近時，他們觀察到了電壓放大作用。

貝爾實驗室發明的第一隻晶體三極管

1947年12月16日，布萊頓在實驗筆記上寫到：“在鍺表麵上用點接觸方法加上兩個電極，間隔400微米。此時1.3伏的直流電壓，被放大了15倍。”布萊頓記下了實驗數據，肖克利作為研究小組的領導與見證人，在筆記本上簽了名。改變曆史的晶體管就這樣誕生了。

1947年12月23日下午，布萊頓和摩爾來到實驗室。聖誕將至，同事們都準備放假了。但是，他們還是興致勃勃地來看兩人的半導體放大實驗。這次，布萊頓和摩爾在裝置的一端連一個麥克風，另一端接一副耳機。摩爾與布萊頓用麥克風講話，其他人用耳機收聽，他們聽到了被放大了18倍的聲音。這一天被認為是晶體三極管的誕生日。這是人類史上第一次不需要用真空管就能將聲音放大的裝置，晶體管的發明印證了著名風險投資人阿瑟·洛克(Arthur Rock)的名言：“任何重大的科技進步，都和奇跡聯係在一起。”

幾個月後，晶體管被正式命名，晶體管(Transistor)由傳導(transfer)和電阻(resistor)兩個詞合成。幾年後，人們發現，矽比鍺更適合於生產晶體管。於是，矽就替代了鍺，北加州也因此被稱為“矽穀”(Silicon Valley)而不是“鍺穀”。

在發明晶體三極管的過程中，貝爾實驗室一共有12個人的名字被直接提到。

肖克利、巴丁、布萊頓在發明晶體管的實驗室裏

貝爾實驗室著手為這項劃時代的發明申請專利時，發現晶體管誕生的那一刻肖克利不在場；專利代理律師發現，肖克利關於晶體管的場效應理論，與此前一項已生效的結型場效應管專利衝突，盡管那項專利無法做成產品。因此在申請專利時，肖克利不在專利申請書上。這下肖克利火了，晶體管的誕生基於肖克利的場效應理論，整個研究過程肖克利也直接參與了，但發明專利上竟然沒有他的名字。

肖克利是天資聰明、勤奮工作的天才。他知道點接觸晶體三極管(point contact transistor)效率不高，利用擴散技術能做出更好的晶體管。經過一個月的獨自秘密鑽研後，肖克利提出了更為先進可行的結型晶體管(junction transistor)構想，那是1948年1月23日。1950年，肖克利的研究小組製成了第一隻結型晶體管，結型晶體管使後來的晶體管和集成電路的大規模生產成為可能。1950年11月，肖克利發表了論述半導體器件原理的經典著作《半導體中的電子和空穴》，從理論上詳細闡述了結型晶體管原理。肖克利以自己的努力，向世界證明了他是真正的晶體管之父，同時也證明了他的科研天賦。肖克利懂得如何找到問題的根源，他能通過精練的文字及口頭表述，把科研工作帶到一個新的、正確的方向。

肖克利是最了解這個發明的未來發展空間的人，他對晶體管在電子工業的應用比貝爾實驗室知道的多得多。肖克利很少在演說中提到晶體管的研製過程，還表示自己不是晶體管發明人，無法作出很好的說明。但肖克利是當時對晶體管發展空間看得最清楚的人。1949年，他在通用電氣(General Electrical)的科學論壇廣播節目中說：“我認為晶體管可以應用到電腦上，它將是這些裝置的理想基本元器件。”

第一個晶體管的專利是結型場效應管，美國人利菲爾德(Julius Edgar Lilienfeld)於1925年獲得的專利。1948年2月26日，巴丁和布萊頓為他們發明的晶體三極管申請了專利；同一天，肖克利也向美國專利局遞交了結型三極管的專利。

肖克利時代的電腦，體積巨大。賓夕法尼亞大學1946年組裝的ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)，是第一台能從事較大運算量的電腦。該電腦主要應用在軍事和政府事務上。這是一台30頓重的怪物，運算時耗電15萬瓦，1萬8千隻真空管，完全由電線連接。真空管發出的光和熱是一個嚴重的問題，飛蛾和昆蟲經常會進入電腦內部造成短路，它們被稱為computer bug，而除蟲維修，則稱為debug。1949年，有雜誌這樣預言電腦的未來：“未來的電腦可能隻需一千隻真空管，半噸重。”這個預測完全不了解了晶體管和它的潛力。

三極管主要有兩大功能：放大與開關。晶體三極管因其材料是晶體因此在實現大功率放大時，不需預熱，產生的熱量也很小。實現同樣的功能，晶體管消耗的功率是真空管的百萬分之一。作為開關，晶體管比真空管更快、更小，為電腦的微型化奠定了基礎。晶體管的發明將引發電訊和電腦等各個方麵的革命。

晶體管利用電子在晶體內的流動性，來控製、放大並交換信號。以晶體管製造的設備體積小，增加了可靠性。家用電器、電腦、電話交換設備、火箭和衛星因為晶體管的應用有了新突破。晶體管原意為傳輸電阻器件，是當時貝爾實驗室的一位工程師取的名字，真空管易碎、易熱、短命，該工程師說過“大自然憎恨真空管”。晶體三極管的工作原理很簡單，隻要在三極中的發射極上加上直流電壓，再在基極上注入要被放大的電流信號，集電極就會產生被線性放大了的信號。現代最快最好的晶體管的放大倍數能達到幾百到一千。