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硅谷简史(5.1):硅的到来 (一) 精选

已有 5897 次阅读 2017-6-29 06:07 |个人分类:硅谷简史|系统分类:人物纪事|关键词:硅谷,肖克利,巴丁,布莱顿,晶体管,贝尔实验室,计算机,芯片| 晶体管, 硅谷, 肖克利, 巴丁, 布莱顿


“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 (William Shockley),1956年12月19日,在斯德哥尔摩诺贝尔奖领奖仪式上的演讲。

我最早接触晶体管是1970年代。当时老哥是区少年宫的半导体兴趣小组的一员,老爸看到老哥能装半导体收音机了,就去书店买了本《晶体管收音机原理》给他。没过多久,老爸让我也读那本书,学着装半导体收音机。我只好咬咬牙从单管机开始、然后双管机,最后装了一个四管来复式晶体管收音机。在装晶体管收音机的过程中,倒是学到了不少东西。懂得了世界上最小的晶体管是集成电路上的晶体管元器件。读大学后,学了电路原理,固体物理,半导体物理等等。知道了肖克利和他的那间有名的晶体管公司的大名。后来又学了他的晶体中杂质的统计分布理论,那是属于理论性极强的统计物理理论的应用。这时,才真的从心里佩服这位第三次产业革命的奠基人,晶体管之父——威廉·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、真空管、直到半个多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“50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)。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)、二战时的美国总统罗斯福(FDR)、迪斯尼动画王国创办人瓦尔特·迪斯尼(Walter Disney)排名第二至第四位。

上世纪末,贝尔试验室(Bell Lab)回顾它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。比起汽车和飞机,电脑对人们日常生活的影响是全方位、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,无论你怎样评价肖克利对高科技的贡献,都不会过分。

问题少年

威廉·肖克利于1910年2月13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。3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,麻省理工学院(MIT)毕业生,他是精通八国语言的语言天才。肖克利的母亲是斯坦福大学(Stanford University)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合他。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。1925年,肖克利父亲去世后,他们搬到了洛杉矶(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。1928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。”

关于肖克利的智商(IQ),有个有名的传说: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,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。有趣的是,肖克利妈妈自己也测了一下,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。

肖克利最初读的是加州大学洛杉矶分校物理系,一年后他转去加州理工(Cal Tech)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1961年7月23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文化,这让他非常喜欢出风头。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。

1932年,肖克利大学毕业。和他父亲一样,肖克利来到了麻省理工学院物理系读博士。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(NewJersey)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。

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(Universityof 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,物理只是谋生手段。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,1936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。

二战功臣

1877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。1895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。1925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11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1997年诺贝尔物理奖。崔琦因对量子物理的杰出贡献,获1998年诺贝尔物理奖。

贝尔实验室对高科技领域内的贡献无论怎样高估都不会过分。1970年代中期,贝尔实验室每年发表2300篇论文,获得700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。2008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。

1936年的贝尔实验室人才济济、成果辈出。26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1936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1938年获得了第一个专利:“电子倍增放大器”。1939年,肖克利就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1960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。1939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房间。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,两人完成了世界上第一个核反应堆的专利。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)的海军反潜艇研究组(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。1944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要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500到1000万军民的伤亡。日本会是全民参战,美军伤亡会在170到400万人,其中死亡人数会达到40到80万。评估报告影响了高层的决策,“没落行动”因此未能付诸实施,美国以向日本投掷两颗原子弹结束了战事。肖克利是洛斯阿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,1946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。

研发晶体管

二战后,肖克利回到贝尔实验室。贝尔实验室成立了固体物理研究小组,他们要制造一种能替代真空管的半导体器件。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)等人。

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,不像导体,无论是电子电流还是空穴电流都能通过。因为半导体是晶体掺杂,而晶体具有良好的导热性、并且很稳定,因此晶体管取代真空管是必然的。但只有整流二极管没有放大器,晶体管仍无法和真空管竞争。贝尔实验室的肖克利研究小组,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。1928年他从威斯康辛大学(Universityof 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,1933年进入普林斯顿大学物理系深造,1936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,1945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1963年诺贝尔物理奖得主。

布莱顿是一位实验大师。布莱顿1902年出生于中国厦门,1929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工作到65岁退休。退休后,他回到华盛顿州,在母校惠特曼学院(Whitman College)教了5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真空管好。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。1947年12月15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

1947年12月16日,布莱顿在实验笔记上写到:“在锗表面上用点接触方法加上两个电极,间隔400微米。此时1.3伏的直流电压,被放大了15倍。”布莱顿记下了实验数据,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。

1947年12月23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18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著名风险投资人阿瑟·洛克(ArthurRock)的名言:“任何重大的科技进步,都和奇迹联系在一起。”

几个月后,晶体管被正式命名,晶体管(Transistor)由传导(transfer)和电阻(resistor)两个词合成。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12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理论,整个研究过程肖克利也直接参与了,但发明专利上竟然没有他的名字。

肖克利是天资聪明、勤奋工作的天才。他知道点接触晶体三极管(Point contact transistor)效率不高,利用扩散技术能做出更好的晶体管。经过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管(junction transistor)构想,那是1948年1月23日。1950年,肖克利的研究小组制成了第一只结型晶体管,结型晶体管使后来的晶体管和集成电路的大规模生产成为可能。1950年11月,肖克利发表了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。1949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基本元器件。”

第一个晶体管的专利是结型场效应管,那是美国人Julius Edgar Lilienfeld于1925年获得的专利。1948年2月26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。

肖克利时代的电脑,体积巨大。宾夕法尼亚大学1946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。这是一台30顿重的怪物,运算时耗电15万瓦,1万8千只真空管,完全由电线连接。真空管发出的光和热是一个严重的问题,飞蛾和昆虫经常会进入电脑内部造成短路,它们被称为computerbug,而除虫维修,则称为debug。1949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真空管的百万分之一。作为开关,晶体管比真空管更快、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,真空管易碎、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。

两年来,肖克利在研究晶体管的同时,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,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 Cooper)、施里弗(John Schrieffer)共创了BCS理论,对超导做出了理论解释,再次获得诺贝尔物理奖。

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,1954到1956年间,美国市场上共销售了1700万只锗晶体管和1100万只硅晶体管,总价值为5500万美元。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,同期真空管销售了13亿,市场份额超过10亿美元。




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