2 开 关

开关

乔尔·舒尔金（Joel Shurkin），《破碎的天才：电子时代创造者威廉·肖克利的兴衰》（Broken Genius: The Rise and Fall of William Shockley, Creator of the Electronic Age），麦克米伦出版公司，2006年。这本书是对肖克利最好的描述。另请参见：迈克尔·赖尔登和莉莲·霍德森（Lillian Hoddeson），《晶体之火：信息时代的诞生》（Crystal Fire: The Birth of the Information Age），诺顿出版社，1997年。吉诺·德尔·古尔西奥（Gino Del Guercio）和伊拉·弗莱托（Ira Flatow），《晶体管化！》（Transistorized!），PBS，1999年，https://www.pbs.org/transistor/tv/script1.html。 威廉·肖克利（William Shockley）很早就认为，如果要实现更好的“开关”，那就需要借助一种叫作半导体的材料。 肖克利出生于英国伦敦一个满世界跑的采矿工程师家庭，他在美国加利福尼亚州的宁静小镇帕洛阿尔托（Palo Alto）的果树林中长大。作为独生子，他相信自己比周围任何人都优越——而且他让每个人都知道这一点。他在南加州的加州理工学院上了大学，在麻省理工学院取得物理学博士学位，之后在新泽西州的贝尔实验室（Bell Labs）工作。该实验室是当时领先世界的科学和工程中心之一。肖克利的所有同事都觉得他令人讨厌，但他们也承认他是一位杰出的理论物理学家。他的直觉是如此准确，以至于肖克利的一位同事说，他似乎真的能看见金属中嗖嗖飞行的、或把原子键合在一起的电子。

肖克利的专业是半导体，这是一种独特的材料。大多数材料要么导电（如铜线）要么绝缘（如玻璃），半导体则不同。硅和锗等半导体材料本身就像绝缘体，几乎不导电。但当加入某些材料并施加电场时，电子就会开始流动。例如，硅或锗等半导体材料添加磷或硼后就可以导电。

用其他元素“掺杂”半导体材料来调节其导电性，为新型器件的诞生提供了可能，这些器件的电流可以被控制。但只要它们的电特性仍然神秘且无法解释，掌握电子在硅或锗等半导体材料中的流动就会是一个遥不可及的梦想。直到20世纪40年代末，贝尔实验室所有的物理学家也没能解释清楚半导体材料这种怪异的特性。

里奥丹和霍德森，《晶体之火》，特别是第112-114页。 1945年，肖克利首次提出了他所谓的“固态阀门”的理论 ，在他的笔记本上画出了一块连接在90伏电池上的硅。他假设，如果在硅这样的半导体材料上施加电场，就可以吸引其内部的“自由电子”聚集在半导体边缘附近。如果电场吸引了足够多的电子，半导体的边缘就会变成导电材料（如同存在大量自由电子的金属一样），这样电流就可以流经之前根本不导电的材料。肖克利很快就搭建了这样一个装置，他希望在硅片上施加和移除电场，打开和关闭硅片上的电子流，使其可以像阀门一样工作。但在进行这个实验时，他无法检测到结果。“什么都没有测到，”他解释道，“相当怪异。”实际上，其原因是20世纪40年代的简单仪器不够精确，无法测量出微小电流。

这篇关于晶体管的文章大量引用了里奥丹和霍德森所著的《晶体之火》，以及德里克·张和埃里克·布拉奇所著的《征服电子》。 两年后，肖克利的两位贝尔实验室同事设计了另一种装置，进行了类似的实验。与肖克利的自傲和令人厌恶不同，他的同事沃尔特·布喇顿（Walter Brattain）和约翰·巴丁（John Bardeen）很谦虚温和。前者是来自华盛顿农村牧场的杰出实验物理学家；后者是普林斯顿大学毕业的科学家，后来成为唯一一位获得两次诺贝尔物理学奖的人。受肖克利理论的启发，布喇顿和巴丁制造了一种装置，将连接电源的两条细金箔线设法放到锗材料上，与锗接触的两条金箔线的间距不到一毫米，并在锗片的底面接上电极。1947年12月16日下午，在贝尔实验室总部，布喇顿和巴丁打开电源，观测到了流过锗的电流可以被控制并放大，从而证明了肖克利关于半导体材料的理论是正确的。

拥有贝尔实验室的美国电话电报公司（AT&T）从事的是电话业务，而不是计算机业务，因而很快将这种器件命名为“晶体管”，因为它可以用于放大传输电话的信号。由于晶体管可以放大电流，人们很快就意识到晶体管可以用于助听器和收音机等产品，从而取代不太可靠的真空管。贝尔实验室很快就开始为这种新器件安排专利申请。

德里克·张和埃里克·布拉奇，《征服电子》，第206-207页。 肖克利却对他的同事们发明了实验来证明他的理论感到不快，他下定决心要超越他们。在圣诞节期间的两周，他把自己关在芝加哥一家酒店的房间里，根据对半导体物理无与伦比的理解，开始设计不同的晶体管结构。到1948年1月，他构想出一种由三块掺有不同杂质的半导体材料组成的新型结构：外部两块有多余的电子，夹在中间的那块缺少电子。如果将一个微小的电流施加到“三明治”的中间层，它就会使流过整个器件的电流增大很多。这种将小电流转换为大电流的过程与布喇顿和巴丁的晶体管所展示的放大原理相同。但肖克利开始意识到其他的用途，就像他之前的理论“固态阀门”所设想的一样，他可以通过操纵施加在晶体管“三明治”中间的小电流来打开和关闭较大的电流。肖克利成功设计了一个开关。

里奥丹和霍德森，《晶体之火》，第165页。《科学1948：小小脑细胞》（SCIENCE1948: Little Brain Cell），《时代》（Times），1948年，http://content.time.com/time/subscriber/article/0,33009,952095,00.html。 当贝尔实验室于1948年6月举行新闻发布会宣布其科学家发明了晶体管时，人们很难理解这连了几根线的锗块有什么值得特别宣传的。《纽约时报》（New York Times）在第46页刊登了这篇报道。《时代》（Time）杂志做得好一点，以《小小脑细胞》（Little Brain Cell）为题报道了这项发明。 但即使是从不低估自己重要性的肖克利，也无法想象，未来很快就会有成千上万、数十亿这样的晶体管在微观尺度上取代人脑来完成计算任务。