他的发明让电脑变了个样，半导体教父肖克利的晶体管人生

经常有人问我，我计划进行的实验是纯粹为了研究还是为了应用。对我来说，搞清楚实验是否能产生对自然界新的、持久的认识才是最重要的。如果可能会得到这样的知识，我认为，它就是好的基础研究，这比实验的动机能否给试验者带来美感满足更重要。”

——威廉•肖克利，1956年12月19日，在斯德哥尔摩诺贝尔奖领奖仪式上的演讲.

天资聪颖的肖克利

自从人类发明了蒸汽机后，每过半个世纪，就会有一项石破惊天的发明，蒸汽机、火车、汽车、电子管、直到半个世纪前肖克利发明的晶体管。此后，以晶体管技术为基础的高科技革命，几乎影响到了人类生活的每一个方面。

二十世纪末，《洛杉矶时报》（Los Angeles Times）  评选出“五十名本世纪经济领域最有影响力人物”。并列第一的是肖克利、罗伯特•诺伊斯（Robert Noyce）和杰克•基尔比（Jack  Kilby）。其中，肖克利发明的晶体管，诺伊斯与基尔比发明的集成电路（Integrated  Circuit），奠定了第三次产业革命的基础。现代汽车工业奠基人亨利•福特（Henry Ford）、二战期间的美国总统罗斯福（ＦＤＲ）、和迪斯尼动画王国（The  Walter Disney Company）的创办人瓦尔特•迪斯尼（Walter Disney）排名第二至第四位。

上世纪末，贝尔试验室（Bell  Lab）回顾自己在二十世纪的发明时认为，贝尔试验室二十世纪最具影响力的二大发明是晶体管和计算机操作系统ＵＮＩＸ。二十世纪是近代物理崛起的世纪，近代物理中对人们日常生活影响最大的就是半导体和电脑产业。比起汽车和飞机，电脑对人们日常生活的影响是全方位的、无孔不入的。同时，半导体和与半导体相关的产业也成为了世界上最大的产业。这些都源于肖克利发明的晶体管和他的晶体管理论。因此，无论你怎样高估肖克利对高科技的贡献，都不会过分。

威廉•肖克利于一九一零年二月十三日出生于英国伦敦，他父母是美国人。肖克利父亲方面的直系祖先是坐五月花号来北美的第一批清教徒。三岁时，肖克利一家回到了美国加州（California）圣克拉拉（Santa  Clara）的帕洛•阿托（Palo Alto）。肖克利在离联邦电报公司（Federal Telegraph Company）  一条街以外的房子里长大，惠普（Hewlett Packard  Company）的车库也离的不远。肖克利是独子，父亲是采矿工程师，麻省理工（ＭＩＴ）毕业生，精通八国语言。母亲是斯坦福大学（University of  Stanford）第一批女毕业生之一。

小肖克利非常瘦弱，而且特别难带，淘气的出格。他的恶作剧让人无法忍受，他曾在客厅的地毯下装了一个开关，客人踩到时，会在其身后发出恐怖的声响，令人大吃一惊。他爱好收集各种奇特的宠物，与邻居家孩子相处的非常紧张，而且脾气十分暴躁。肖克利的童年是一个人孤独地度过的。

肖克利家的邻居斯坦福大学教授罗斯（Perley A Ross）  对童年的肖克利影响很大。罗斯教授有两个女儿，肖克利常去罗斯教授家和他的两个女儿玩耍。罗斯教授激起了肖克利对科学技术的兴趣。但肖克利的性格并没有因此改变。

经过一段时间的观察，肖克利的父母发现肖克利是个极特别、极倔强的孩子，他们知道加州的公立学校不适应他的性格。他们决定在家里自己教他，不久他们就放弃了。最后肖克利被送进了帕洛•阿托军校（Palo  Alto Military  Academy）读书。在那里，肖克利接触到了高科技产品——收音机和形形色色的新发明。一九二五年，肖克利父亲去世后，他们一家搬到了洛杉矶（Los Angeles）  ，肖克利就读于好莱坞高中（Hollywood High School）  。肖克利的傲慢态在少年时就显露无遗，他对当代的工业进步也非常着迷。一九二八年，在一篇高中期末论文里，他这样写到：“我们处在一个机械化时代。我们能飞速旅行，能用最有效的方式打击敌人，这一切全仰仗机械发明。”

关于肖克利的ＩＱ，有一个有名的传说：小时候，肖克利妈妈带他去斯坦福找发明ＩＱ测试法的老特曼（Lewis  Terman）教授给他测智商。结果是１２９分，高于平均值１００分，是个聪明人，但没到１３５分的天才标准，这让妈妈大失所望。但她不死心，第二年又测了一次，这次是１２５分，肖克利妈妈只好认命了。有趣的是，肖克利妈妈自己也测一下，结果是１６１分。看样子ＩＱ是无法遗传的。肖克利后来的成就也说明了，一个人的成功与否，ＩＱ固然重要，但天时、地利、人和更重要。

在MIT求学时享誉校园

肖克利最初读的是加州大学洛杉矶分校（University of California at Los  Angeles）物理系，一年后他转去加州理工学院（California of  Technology）物理系，当年加州理工的教授都是名师。大学生肖克利有着运动明星的身材，一米九三的身高，一身匀称的肌肉，名副其实的一表人才。当地一家健身器材公司，找到了肖克利做模特，专门拍了一辑广告册。为了保持体形，肖克利一生都没中断过健身及游泳。肖克利还是一位攀岩高手，纽约有一条以肖克利命名的攀岩路径，叫“肖克利天棚”（Shockley  Ceiling）。肖克利曾攀登过阿尔卑斯山脉的主要山峰。晚年，肖克利又开始了航海。直到一九六一年七月二十三日的一起严重交通事故，才使肖克利放弃了体育运动。

在洛杉矶的这些年，肖克利接受了好莱坞的文化，这使得他非常喜欢出风头。在贝尔试验室工作时，他曾在公司餐厅里徒手爬上了最高的一面石墙，以此来引人注意。肖克利解释科学理论的能力很高，有一次，他这样解释放大作用：“如果你在骡子的尾巴上绑上一把点燃了的干草，然后比较骡子狂奔时的能量和点火所需的能量，你就能理解什么是放大作用了。”肖克利从未掩饰过要用自己的才能来获得财富，并成为百万富翁的想法。

一九三二年，肖克利大学毕业。和他父亲一样，肖克利来到了麻省理工物理系读博士。到ＭＩＴ不久，肖克利就以聪明在ＭＩＴ物理系出名。不可思议的是，从读大学起，肖克利总是带着手枪到学校注册，这可能是帕洛•阿托军校的影响。后来在贝尔实验室工作时，肖克利常带枪出门，一次在新泽西（New  Jersey）的高速公路上，他被警察因非法持枪带到了警察局，是贝尔实验室出面把他保了出来。

在ＭＩＴ的第一年，肖克利与比他大两岁的大学同学贝莉（Jean Alberta Bailey）  成婚，不久他们有了一个女儿。成家后的肖克利靠奖学金和母亲的资助养家，同时也用功读书。肖克利的博士导师是曾在普林斯顿大学（University of  Princeton ）任教的菲利浦•莫尔斯（Philip  Morse）。莫尔斯热爱生活，钟情于文学、音乐、美酒和女人，物理是谋生手段。莫尔斯是一名出色的物理教授，他的两个学生——肖克利和理查德•费曼（Richard  Feynman），都获得了诺贝尔物理奖。
在莫尔斯的指导下，一九三六年肖克利取得了博士学位，他的博士论文题目是“氯化钠晶体中电子波函数的计算”。肖克利原打算去耶鲁大学（Yale  University  ）任教，出发前，莫尔斯推荐他去贝尔实验室。贝尔实验室是美国电报电话公司（ＡＴ＆Ｔ）的研发机构，一个企业实验室，有史以来最有名的企业实验室。

从贝尔实验室开始职业生涯

一八七七年，电话发明人亚历山大•贝尔（Alexander Bell）创建了贝尔电话公司（Bell Telephone  Company），贝尔公司很快就占领了电话通讯市场。一八九五年，贝尔公司整合了它在美国的长途电话业务，另建了一家独立公司——ＡＴ＆Ｔ。从此，ＡＴ＆Ｔ垄断了美国的电话业务，进而垄断了世界通讯行业。一九二五年，ＡＴ＆Ｔ总裁瓦尔特•基福特（Walter  Gifford）为确保企业未来的发展，收购了西方电子公司（Western Electronic  Company）的研发部，成立了“贝尔实验室”，投入大量资金，使其成为世界上最优秀的企业研究机构。贝尔实验室集基础研究和应用开发于一身。其基础研究注重于电子技术的基础理论：数学、物理、材料科学、和计算机软硬件理论。开发部门负责设计ＡＴ＆Ｔ电信网络的设备和软件。在ＡＴ＆Ｔ的支持下，贝尔实验室将美国的精英一网打尽。其中十一人因其在贝尔实验室的工作，获诺贝尔奖，包括华人科学家朱棣文和崔琦。朱棣文因发明“激光冷却和俘获原子的方法”获一九九七年诺贝尔物理奖。崔琦因对量子物理的杰出贡献，获一九九八年诺贝尔物理奖。

贝尔实验室对高科技的贡献无论怎样高估都不会过分。一九七零年代中期，贝尔实验室每年发表二千三百篇论文，七百多个专利，是世界上最大的工业研究机构。射电天文学、晶体管、激光、太阳能、场效应管、ＣＣＤ、移动通讯、ＵＮＩＸ操作系统、Ｃ和Ｃ＋＋语言等理论与技术，均出自贝尔实验室。贝尔实验室的成果，绝大多数国家都赶不上。二零零八年，随着人才大量流失，及母公司的亏损，贝尔实验室宣布退出基础科学及芯片研究领域。如今的贝尔实验室已很少有人提起了。

一九三六年，肖克利加入贝尔实验室的时候，贝尔实验室人才济济、成果辈出。二十六岁的肖克利在克林顿•戴维森（Clinton  Davisson）的研究小组工作。戴维森因发现电子衍射现象，获一九三七年诺贝尔物理奖，他是能让肖克利为之折服的人。在戴维森的指导下，肖克利发表了多篇固体物理学论文，并于一九三八年获得了第一个专利：“电子倍增放大电器”。一九三九年，肖克利构思了一个把导线埋入氧化铜的场效应管，尽管这一器件从未被制造出来，但这是一九六零年代后在集成电路中广泛使用的场效应器件的雏形。

肖克利还碰巧设计出了世界上第一个核反应堆。一九三九年，全世界的物理学家的注意力都在核裂变上。贝尔实验室指定肖克利和詹姆斯•费斯克（James  Fisk）对核裂变作为新能源的可行性做一调研。贝尔实验室给了两人一间小屋子。一天，肖克利在淋浴时，突然想到：“如果把两块铀分开，中子就会慢下来，也就是说不会被俘获，这样的话就能用其来轰击铀２３５。”两个月后，两人制作出了世界上第一个核反应堆。这件事立刻被报到了华盛顿。美国政府严密封锁了这一成果，连美国科学家都不让知道。美国政府用一切可能阻止了肖克利和费克斯申请专利。直到二战结束后，曼哈顿计划（Manhattan  Project） 的科学家们才知道此事，而他们是用同一想法发明了肖克利和费克斯的核反应堆。

二战时的部队经历

二战爆发后，肖克利来到了部队研究部门工作。他先担任哥仑比亚大学（Columbia University） 的反潜艇研究组（Antisubmarine  Warfare Operations Research Group  ）主任，任务是研制深水潜艇炸弹。肖克利的研究小组解决了深水潜艇炸弹问题，使美国海军对德国Ｕ型潜艇的击沉率上升了五倍。肖克利的研究小组还研究出了一种新的潜艇搜索方法，提高了美国海军对德国潜艇的击沉率。一九四四年后他主持了一个空军新型雷达投弹瞄准器的训练计划，以训练Ｂ－２９轰炸机飞行员为主。为了检验实战效果，他有三个月在世界各地的空军基地检验实战效果。正因为肖克利的研究，Ｂ－２９才能成为向日本本土实施地毯式轰炸的主力，在广岛和长崎扔下两颗原子弹的也是Ｂ－２９。

太平洋战争未期，美国曾准备对日本本土展开大规模的两栖登陆作战，代号“没落行动”（Operation  Downfall），想以此迫降日本。为最大限度避免伤亡，美国军方和情报部门在行动前对风险进行了全面评估。美国战争部长委托肖克利作一份伤亡评估报告。经分析，肖克利认为登陆作战会造成日本五百到一千万军民的伤亡。日本会是全民参战，美军伤亡会在一百七十到四百万人，其中死亡人数会达到四十到八十万。评估报告影响了高层的决策，“没落行动”未能付诸实施，美国以向日本投掷两颗原子弹结束了战事。肖克利是拉斯拉莫斯实验室之外的最高级别的平民参战人员，二战期间，他是少数几个能接触到最高军事机密的人。为表彰肖克利在二战期间的贡献，一九四六年，战争部长罗伯特•帕特森（Robert  P Patterson）授予了肖克利“优秀勋章”（National Medal of Merit）。 布什（Vannevar  Bush）与特曼（Frederick Terman）也曾获得这一殊荣。

重回贝尔实验室

二战后，肖克利回到贝尔实验室。贝尔实验室成立了一个固体物理研究小组，他们要制造一种能替代电子管的半导体器件。肖克利任组长，化学家史丹利•摩根（Stanley  Morgan）任副组长，成员有物理、化学、电子方面的专家。其中包括约翰•巴丁（John Bardeen）、瓦尔特•布莱顿（Walter  Brattain）、希尔伯特•摩尔（Hilbert Moore）。

半导体是一类掺了杂质的晶体材料。这类掺杂后的晶体材料，会有整流作用，就是说这类材料只能让电子或空穴一种电流通过，而不像导体，无论是电子电流还是空穴电流都能通过。因为半导体是在晶体里掺杂，而晶体具有良好的导热性、并且很稳定，因此晶体管取代电子管是必然趋势。但是，只有整流二极管没有放大器，晶体管仍无法和电子管竞争。贝尔实验室的肖克利研究小组，就是要用锗和硅来制造这一放大器件。

巴丁是固体物理专家，理论造诣很高。一九二八年，巴丁从威斯康辛大学（University of Wisconsin-Madison）  电机系毕业，然后在海湾石油公司（Gulf Research  Lab）做了三年工程师，一九三三年进入普林斯顿大学物理系深造，一九三六年获物理系博士学位。巴丁曾任哈佛大学（Harvard  University）研究员。二战期间，巴丁在华盛顿海军军械实验室服役，一九四五年加入贝尔实验室。巴丁是唯一的两次诺贝尔物理奖得主。他在普林斯顿大学的导师维格纳（Eugene  Wigner） 是一九六三年诺贝尔物理奖得主。

布莱顿是小组里的实验大师。布莱顿一九零二年出生于中国厦门，一九二九年于明尼苏达大学（University of Minnesota）  取得物理学博士学位后，加入贝尔实验室。布莱顿是一位高超的实验物理学家。布莱顿在贝尔实验室一直工作到六十五岁退休。退休后，他回到华盛顿州老家，在母校惠特曼学院（Whitman  College） 教了五年书，才真正退休。
此前，贝尔实验室就对半导体材料进行了研究，发现掺杂的半导体整流性能比电子管好。因此小组把注意力放在了锗和硅这两种半导体材料上。在肖克利的领导下，他们尝试、失败、再尝试、再失败。一九四七年十二月十五日，这次巴丁的表面效应理论与布莱顿精湛的实验结出了硕果。他们用刀片在三角形金箔上划出了两道极细的缝隙，然后两边分别接上导线，用弹簧将其压进锗块表面。这是一个由锗、电池、金线、弹簧、纸板、组成的小装置。连好线后，当锗块上的两个接触点越来越近时，他们观察到了电压放大作用。

贝尔实验室发明的第一只晶体三极管

晶体管的诞生

一九四七年十二月十六日，布莱顿在实验笔记上这样写到：“在锗表面上用点接触方法加上两个电极，间隔四百微米。此时１。３伏的直流电压，被放大了十五倍。”  布莱顿拿出笔记本，记下了实验数据，肖克利作为研究小组的领导与见证人，在笔记本上签了名。改变历史的晶体管就这样诞生了.

一九四七年十二月二十三日下午，布莱顿和摩尔来到实验室。圣诞将至，同事们都准备放假了。但是，他们还是兴致勃勃地来看两人的半导体放大实验。这次，布莱顿和摩尔在装置的一端连一个麦克风，另一端接一副耳机。摩尔与布莱顿用麦克风讲话，其他人用耳机收听，他们听到了被放大了上十八倍的声音。这一天被认为是晶体三极管的诞生日。这是人类史上第一次不需要用真空管就能将声音放大的装置，晶体管的发明印证了阿瑟•洛克的名言：“任何重大的科技进步，都和奇迹联系在一起。”

晶体管要到几个月后才被正式命名，晶体管transistor由两个词传（transfer）  和电阻（resistor）合成的。几年后，人们发现，硅比锗更适合于生产晶体管。于是，硅就替代了锗，北加州也因此被称为“硅谷”（Silicon  Valley）而不是“锗谷”。
在发明晶体三极管的过程中，贝尔实验室一共有十二个人被直接提到。

肖克利、巴丁、布莱顿在发明晶体管的实验室里

贝尔实验室着手为这项划时代的发明申请专利时，发现晶体管诞生的那一刻肖克利并不在场；专利代理律师发现，肖克利关于晶体管的场效应理论，与此前一项已生效的结型场效应管专利冲突，尽管那项专利无法做成产品。因此在申请专利时，肖克利不是发明人。这下肖克利火了，晶体管的诞生基于肖克利的场效应（Field  Effect）理论，整个研究过程肖克利也直接参与了，但发明专利上没有他的名字。

天才肖克利对晶体管的改进

肖克利是天资聪明、勤奋工作的天才。肖克利知道点接触晶体三极管（Point contact  transistor），效率不高，而利用扩散技术能做出更好的晶体三极管。一个月的独自秘密钻研后，肖克利提出了更为先进可行的结型晶体三极管（Junction  transistor）构想，那是一九四八年一月二十三日。一九五零年，肖克利的研究小组制成了第一只结型晶体三极管，结型晶体三极管使后来的晶体三极管和集成电路的大规模生产成为可能一九五零年十一月，肖克利发表了一本论述半导体器件原理的经典著作《半导体中的电子和空穴》，从理论上详细阐述了结型晶体管原理。肖克利以自己的努力，向世界证明了他是真正的晶体管之父，同时也证明了他的科研天赋。肖克利懂得如何找到问题的根源，他能通过一种精练的文字及口头表述，把科研工作带到一个新的、正确的方向。
肖克利是贝尔实验室最了解这个发明的未来发展空间的人，他对晶体管在电子工业的应用比贝尔实验室知道的多得多。肖克利很少在演说中提到晶体管的研制过程，还常常表示自己不是晶体管发明人，无法作出很好的说明。但肖克利是当时对晶体管发展空间看得最清楚的人。一九四九年，他在通用电气（General  Electrical）的科学论坛广播节目中说：“我认为晶体管可以应用到电脑上，它将是这些装置的理想的基本元器件。”

第一个晶体管的专利是结型场效应管，是由美国人Julius Edgar  Lilienfeld于一九二五年获得的专利。一九四八年二月二十六日，巴丁和布莱顿为他们发明的晶体三极管申请了专利；同一天，肖克利也向美国专利局递交了结型三极管的专利。

巴丁的点接触型晶体管专利

晶体管改变了电脑

肖克利时代的电脑，体积巨大。宾夕法尼亚大学在一九四六年组装的ENIAC（Electronic Numerical Integrator and  Computer），是第一台能从事较大运算量的电脑。该电脑主要应用在军事和政府事务上，一些大公司也会用到它。这是一台三十顿重的怪物，运算时消耗十五万瓦的电，一万八千只真空管，完全由电线连接。真空管发出的光和热是一个严重的问题，飞蛾和小昆虫经常会进入电脑内部造成短路，它们被称为computer  bug，  而除虫维修，则称为debug一九四九年，有杂志这样预言电脑的未来：“未来的电脑可能只需一千只真空管，半吨重。”这个预测完全不了解了晶体管和它的潜力。

三极管主要有两大功能：放大与开关。晶体三极管因其材料是晶体因此在实现大功率放大时，不需预热，产生的热量也很小。实现同样的功能，晶体管消耗的功率是电子管的百万分之一。作为开关，晶体管比电子管更快、更小，为电脑的微型化奠定了基础。晶体管的发明将引发电讯和电脑等各个方面的革命。

晶体管利用电子在晶体内的流动性，来控制、放大并交换信号。以晶体管制造的设备体积小，可靠性增加了。家用电器、电脑、电话交换设备、火箭和卫星因为晶体管的应用有了新突破。晶体管原意为传输电阻器件，是当时贝尔实验室的一位工程师取的名字，因为真空管的易碎、易热、短命，该工程师说过“大自然憎恨真空管”。晶体三极管的工作原理很简单，只要在三极中的发射极上加上直流电压，再在基极上注入要被放大的电流信号，集电极就会产生被线性放大了的信号。现代最快最好的晶体管的放大倍数能达到几百到一千。

晶体管的演进

两年来，肖克利在进行晶体管研究的同时，不断打压排挤巴丁和布莱顿。最终，布莱顿去了其它研究组。巴丁离开了贝尔实验室，去伊利诺伊大学物理系当教授了。他的首个博士生霍洛尼亚克（Holonyak）明了ＬＥＤ。巴丁与库珀（Leon  N Cooper）、施里弗（John R Schrieffer）共创了ＢＣＳ理论，对超导做出了解释，再次获得了诺贝尔物理奖。

巴丁与布莱顿离开后，肖克利的研究停滞了。他给自己放了一个长假，回母校加州理工执教一年，又去了五角大楼的武器评估小组任职一年。期间与身患子宫癌的妻子离了婚。

这几年里，很多公司批量生产晶体管了，使用晶体管的小型电器，如助听器、收音机等也问世了。据统计，一九五四到一九五六年间，美国市场上共销售了一千七百万只锗晶体管和一千一百万只硅晶体管，总价值为五千五百万美元。通用电气、ＲＣＡ、德州仪器（Texas  Instruments  ）、ＡＴ＆Ｔ、和雷神（Raytheon）都是晶体管的大用户。因成本及生产工艺的原因，晶体管尚未得到广泛应用，同期电子管销售了十三亿，市场份额超过十亿美元。

早期的晶体管半导体收音机

一九五四年圣诞节，晶体管收音机问世。晶体管收音机体积小，用电池就行了。这台收音机售价为＄４９．９５美元。第一年，这台收音机就买了十万多台。不久，一家叫Tokyo  Tsushin  Kogyo的公司，用晶体管技术称霸了电视机和收音机市场，它就是索尼公司的前身。这一切仅仅是开始。晶体管最后成为数码时代的技术基础，它是构成所有电子产品的细胞，现代最复杂的计算机芯片上有上亿个晶体管。晶体管的发明促成了苹果电脑、英特尔、微软、谷歌的诞生。没有晶体管就没有今天的高科技，也不会有硅谷。

电子管之父佛瑞斯特（Lee de Forest）  是在晶体管展示会上见到它的，佛瑞斯特充分了解，自己发明的真空三极管在经过四十二年的辉煌岁月后，将正式退出历史舞台了。

一九五零年代中期，高纯硅的工业提炼技术已成熟，肖克利很清楚，电子管很快会被淘汰，未来属于晶体管。肖克利决心离开贝尔实验室，回加州创业。一九五五年，肖克利给将成为他第二任妻子的女友的信中这样写道：“很明显，我比其他人更聪明、更热心工作，也比大部分人了解人类。”这三件事中，他只说对了两件。

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