物理群星
威廉·肖克利 肖像

图:诺贝尔基金会,1956(时年 46 岁)/ Wikimedia Commons / 公有领域

威廉·肖克利

William Shockley

1910–1989 · 生于英国伦敦(美国籍父母) · 美国

凝聚态量子力学

点接触管是别人在他不在场时做出来的——他用一个月把这口气变成了结型晶体管,又用三十年把自己的名声亲手拆光

「这个小组成功了,我却高兴不起来,因为发明人里没有我。」

—— 肖克利回忆 1947 年 12 月那几天,转引自美国公共电视网《晶体管》专题所引其本人自述

1947 年 12 月 23 日下午,贝尔实验室的一间屋子里,巴丁与布拉顿把一台放大器接通:一小股输入电流,出来的是一股大得多的电流,波形没有走样。固体做的三极管第一次工作了。

肖克利不在场。他是这个小组的头,半导体这条线是他提出来的,方向是他定的,可是那台装置从原理到接线都不是他的。他后来写下的话很坦白:小组成功了,他却高兴不起来,因为发明人里没有他。

失败的场效应

1945 年他想做的东西,今天叫场效应管:给一块半导体薄片外加一个强电场,把载流子吸进来,电导就该大幅变化。理论算得很漂亮,实验做出来只有预期的百分之几。

破解这个失败的是他招来的理论家巴丁:半导体的表面上有一层能俘获电子的「表面态」,外加电场感应出来的电荷几乎全被这层东西吃掉,屏蔽在表面上,体内一点没变。

这个诊断把整个小组的方向调了个头——既然表面挡道,那就研究表面。此后两年,巴丁与布拉顿泡在表面态里,最后用两根相距不到零点一毫米的金触点,从表面把电流引进了半导体内部。12 月 23 日那天成功的就是这个点接触管。

旅馆里的一个月

接下来发生的事,是这段历史里最不体面、也最有成效的一段。

专利律师查过之后认定,点接触管的发明人只能是巴丁与布拉顿;肖克利想把自己加进去的努力没有成功,部分原因是二十年代已经有人申请过类似的场效应专利。他把两人分别叫进办公室,说他打算独占这项专利。布拉顿的回答后来被反复引用:得了吧肖克利,这里面的荣耀够所有人分的。

1947 年底到 1948 年初,他去芝加哥开会,一个人待在旅馆里算了一个月。结果是一个完全不同的东西:不用脆弱的金触点,把半导体做成 p-n-p 或 n-p-n 三层,让电流在体内走。这就是结型晶体管——可量产、可复制、能做得又小又稳。

1949 年的论文给出了完整理论,包括那条以他名字命名的二极管方程。1951 年 7 月,贝尔实验室公布了实物。今天全世界的芯片里几乎找不到点接触管,走到最后的是他这一支的后代。

三个人的关系就此彻底破裂。巴丁 1951 年离开贝尔实验室去了伊利诺伊,转做超导;布拉顿要求不再在肖克利手下工作。1956 年他们一起去斯德哥尔摩领奖,合影里看不出什么,私下几乎不说话。

硅谷是他起的头

1955 年他离开贝尔实验室,回到自己长大的加州,在山景城办起肖克利半导体实验室。他做对了一件极关键的事:坚持用硅,不用当时更容易加工的锗。硅的能隙更宽、耐热更好、氧化层能当绝缘层——半导体工业后来就是踩着这一条走的。

他也做错了几乎所有别的事。他用测谎仪查员工,把工资表贴出来,把项目改来改去。1957 年,八个年轻人集体辞职,办了仙童半导体;从仙童又长出英特尔、AMD 与几十家公司。那八个人被他称作「叛徒八人组」,而硅谷的族谱几乎都能从这一次出走算起。

最后三十年

1963 年他转去斯坦福。从六十年代末开始,他把主要精力放到了一个与半导体无关的主张上:他宣称智力主要由遗传决定、不同人种的平均智力有先天差别,并提出给智商低于一百的人付钱做绝育。

这些说法没有科学依据,方法上也站不住:他引用的数据来源可疑,推论跳过了社会经济因素,同行遗传学家公开反驳过多次。他坚持了二十年,四处演讲、打官司、1982 年还去竞选参议员,得票 0.37%。

1989 年 8 月 12 日他因前列腺癌去世,七十九岁。晚年他与子女几乎断绝了往来——据舒尔金为他写的传记,子女是从媒体上得知他去世的。

把这两件事写在同一页上并不舒服,但它们确实属于同一个人:二十世纪最重要的一件电子器件出自他的方向、他的理论和他那个月的较劲;而他后半生做的事,让今天提起他的名字时,必须同时说清楚这两半。

代表方程

肖克利二极管方程

I=IS(eqV/kBT−1)I = I_S\left(e^{qV/k_BT} - 1\right)

一个 p-n 结两端加电压 VV,电流按指数上升——正向导通、反向几乎截止,整流就是这么来的。指数里的 kBT/qk_BT/q 在室温下约 26 毫伏,这意味着电压每增加 60 毫伏,电流涨十倍。这条方程是 1949 年他那篇论文的核心,也是此后所有半导体器件计算的第一行。

场效应为什么不灵

外加电场感应的电荷 =Q表面态⏟几乎全部+Q体内载流子⏟≈ 0⇒ σ体内 几乎不变\begin{aligned} \text{外加电场感应的电荷}\ &= \underbrace{Q_{\text{表面态}}}_{\text{几乎全部}} + \underbrace{Q_{\text{体内载流子}}}_{\approx\, 0} \\ \Rightarrow\ \sigma_{\text{体内}}\ &\text{几乎不变} \end{aligned}

1945 年他的设想很直接:给半导体薄片外加强电场,把载流子「吸」进来,电导应当大幅变化。实测变化只有预期的百分之几。1947 年巴丁给出了原因——半导体表面有一层能俘获电子的表面态,外加电场感应出的电荷几乎全被它们吃掉,屏蔽在表面,体内什么也没发生。这个失败的解释,恰恰是晶体管的起点:既然表面挡道,就从表面下手。

伟大发现