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威廉·肖克利

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威廉·肖克利
1956年的肖克利
出生William Bradford Shockley
(1910-02-13)1910年2月13日
伦敦，英格兰
逝世1989年8月12日(1989-08-12)（79歲）
斯坦福，美国加利福尼亚州
墓地Alta Mesa Memorial Park
教育程度
知名于
配偶
  • Jean Bailey（1933年结婚，1953年分居）
  • Emmy Lanning（1955年结婚）
儿女3
奖项
  • Morris Liebmann纪念奖（1952年）
  • 康斯托克物理学奖（1953年）
  • Oliver E. Buckley奖（1953年）
  • 诺贝尔物理学奖（1956年）
  • Wilhelm Exner奖章（1963年）
  • Holley奖章（1963年）
  • IEEE荣誉奖章（1980年）
科学生涯
研究领域物理学
机构
论文Electronic bands in sodium chloride（1936）
博士導師约翰·斯莱特[1]

威廉·布拉德福德·肖克利（William Bradford Shockley，1910年2月13日—1989年8月12日）是美国物理学家，曾任贝尔实验室一个研究小组的经理，小组成员包括约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿。三人因“对半导体的研究以及发现晶体管效应”共同获得1956年诺贝尔物理学奖。[2]

20世纪50至60年代，肖克利试图把一种新型晶体管设计推向市场，这在一定程度上促成加利福尼亚州硅谷成为电子创新的温床。他招来了一批才华横溢的员工，却又因专断而反复无常的管理很快把他们逼走，这些人离开后创办了行业内的大公司。[3]

晚年在斯坦福大学任电气工程教授期间及之后，肖克利因公开发声宣扬种族主义和优生学而出名。[4][5]

早年生活与教育

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威廉·布拉德福德·肖克利1910年2月13日生于伦敦，父母都是美国人，3岁起在家族故乡加利福尼亚州帕罗奥图长大。[6]父亲威廉·希尔曼·肖克利是采矿工程师，靠投资矿山为生，会说八种语言；母亲梅·布拉德福德·肖克利在美国西部长大，毕业于斯坦福大学，是美国第一位女性副矿业测量员。[7]

由于父母不喜欢公立学校，加上肖克利自己有暴怒发脾气的习惯，他8岁前一直在家上学。[8]他小时候从一位斯坦福物理学教授邻居那里学过一些物理学知识。[9]他在帕罗奥图军事学院读了两年，又短暂进入洛杉矶辅导学校学物理，1927年从好莱坞高中毕业。[10][11]

1932年，肖克利在加州理工学院取得理学学士学位，随后进入麻省理工学院，1936年以一篇研究氯化钠电子能带结构的论文获得博士学位。[12][1]

职业生涯与研究

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肖克利是默文·凯利最早招进贝尔电话实验室的人之一。凯利1936年成为公司研究主管，着力招聘固态物理学家。[13]肖克利加入了克林顿·戴维森在新泽西州默里希尔带领的小组。[14]贝尔实验室的高管曾推断，半导体或许能为贝尔全国电话系统中普遍使用的真空管提供固态替代方案。肖克利构思了若干基于氧化铜半导体材料的设计，并在1939年与沃尔特·布拉顿合作试制样机，但没有成功。[13]

肖克利在《物理评论》上发表了多篇固态物理的基础性论文。1938年他获得第一项关于电子倍增器的专利“Electron Discharge Device”。[15]

军事研究时期的肖克利（左）。

第二次世界大战期间，肖克利此前的研究被打断，他在纽约曼哈顿从事雷达研究。同样在贝尔实验室，1942年初他率先开展延迟线存储器的应用研究，其成本只有当时真空管电子存储器的百分之一，速度却大致相当。[16]到1945年，这项技术已被用进ENIAC计算机。

1942年5月，他从贝尔实验室请假，出任哥伦比亚大学反潜作战行动小组的研究主管，[17]工作内容包括设计对付潜艇战术的方法，改进护航技术、优化深水炸弹布阵等。他常去五角大楼和华盛顿会见高级军官和政府官员。[18]

1944年，他为B-29轰炸机飞行员组织了一个使用新型雷达投弹瞄准器的培训项目，1944年底又用三个月走访世界各地的基地评估效果。因这项工作，战争部长罗伯特·帕特森于1946年10月17日授予肖克利功绩勋章。[19]1945年7月，美国战争部请肖克利就进攻日本本土可能造成的伤亡准备一份报告，他的结论是：

如果研究表明，历史上所有与日本处境相当的国家，其行为都确实与军队在战斗中的行为一致，那么日本战败时的死亡和失能人数就会超过德国相应的数字。换句话说，我们恐怕至少要杀死500万到1000万日本人，而我们自己可能要付出170万到400万人伤亡的代价，其中40万到80万人死亡。[20]

这份报告影响了美国向广岛和长崎投掷原子弹的决定，投弹之后日本投降。[21]

肖克利还是第一位提出用对数正态分布来模拟科研论文产出过程的物理学家。[22]

晶体管的发明

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参见：晶体管历史
1948年在贝尔实验室，约翰·巴丁、肖克利（中）和沃尔特·布拉顿。

1945年战争刚结束，贝尔实验室成立了一个固态物理小组，由肖克利和化学家斯坦利·摩根牵头，成员包括约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿、物理学家杰拉尔德·皮尔逊、化学家罗伯特·吉布尼、电子专家希尔伯特·摩尔和几名技师。他们的任务是为易碎的玻璃真空管放大器寻找一种固态替代品。最初的尝试基于肖克利的设想，即在半导体外部施加电场以改变其导电性，但这些实验在各种构型和材料下无一例外地失败，小组陷入停滞。后来巴丁提出一套理论，引入表面态，认为正是表面态阻挡电场进入半导体，小组转而研究这些表面态，几乎天天开会讨论，彼此关系融洽，思想交流毫无保留。[23]

到1946年冬，他们已积累足够成果，巴丁就表面态向《物理评论》提交了一篇论文。布拉顿开始通过在半导体表面照射强光来观察、研究表面态，由此又写出几篇论文（其中一篇与肖克利合著），估算出表面态的密度，足以解释此前实验失败的原因。当他们开始用电解质围住半导体与导线之间的点接触时，研究步伐明显加快。摩尔搭了一个电路，方便他们改变输入信号的频率。最后，皮尔逊按肖克利的建议，在横跨p-n结的一滴硼酸乙二醇上加电压，他们这才开始得到功率放大的迹象。[24]

贝尔实验室的律师很快发现，肖克利的场效应原理早有人提出，1930年尤利乌斯·利林菲尔德就已为基于该原理的器件申请专利，他于1925年10月22日在加拿大提交了类似MESFET的专利。[25][26]尽管这项专利看上去“可被攻破”（无法实际工作），专利律师还是把四项专利申请中的一项仅建立在巴丁和布拉顿的点接触设计上，另外三项（提交更早）则覆盖以巴丁、吉布尼和布拉顿为发明人、基于电解质的晶体管。[來源請求]

这些专利申请上都没有肖克利的名字，这让他很恼火，他认为既然工作基于自己的场效应设想，专利上也该有自己的名字，甚至设法让专利只写他一个人的名字，并把这个打算告诉了巴丁和布拉顿。[27]

因没被列入专利申请而恼怒的肖克利，私下继续自己的工作，要造一种基于结而非点接触的不同类型晶体管，他认为这种设计更有可能在商业上成功。在他看来，点接触晶体管会被证明既易碎又难制造。肖克利对点接触晶体管工作原理的某些解释也不满意，并想到了少数载流子注入的可能。

1948年2月13日，另一位小组成员约翰·N·夏夫在一片薄薄的锗楔子正反两面装上青铜触点，做出一个点接触晶体管，证明空穴能够穿过整块锗扩散，而不只是像此前认为的那样只沿表面扩散。[28]: 153 [29]: 145 夏夫的发明[30]促使肖克利发明了结型晶体管。[28]: 143 几个月后，他发明了一种全新、结实得多的晶体管，呈层状或称“三明治”结构。这种结构在60年代被用于绝大多数晶体管，并演化为双极性晶体管。肖克利后来把团队的工作方式描述为“合作与竞争交织”，还说在夏夫1948年的进展“逼得他不得不出手”之前，他一直把自己的部分工作保密。[31]肖克利对他所称的“三明治”晶体管做出相当完整的描述，1949年4月7日得到第一个原理验证。

与此同时，肖克利在写他的著作《Electrons and Holes in Semiconductors》，1950年作为一部558页的专著出版。这部大部头包含他关于漂移与扩散、关于支配固态晶体中电子流动的微分方程的关键思想，也描述了肖克利二极管方程。这部奠基性著作成了其他科学家研发、改进晶体管新变体及其他半导体器件的参考书。[32]

这些工作最终促成他发明双极性晶体管，1951年7月4日在一场新闻发布会上公布。[33]

“晶体管发明”带来的宣传常把肖克利推到台前，令巴丁和布拉顿颇为不快，但贝尔实验室管理层始终把三位发明人作为一个团队呈现。肖克利虽会在记者把功劳只归于他时予以纠正，[34]最终还是激怒并疏远了巴丁和布拉顿，实际上阻止两人参与结型晶体管的工作。巴丁转而研究超导理论，1951年离开贝尔实验室；布拉顿不愿再与肖克利共事，被调到另一个小组。晶体管发明头一年之后，巴丁和布拉顿都没再太多参与它的发展。[35]

肖克利约在1953年离开贝尔实验室，到加州理工学院任职。[36]

肖克利半导体

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主条目：肖克利半导体实验室

1956年，肖克利在加利福尼亚州山景城创办肖克利半导体实验室，那里离他住在帕罗奥图的年迈母亲很近。[37][38]这家公司是贝克曼仪器公司的一个部门，也是后来被称为硅谷的地方第一家从事硅半导体器件的机构。

肖克利为公司招来才华横溢的员工，却又不停地拆台，把他们逼走。[3][39]用传记作者乔尔·舒尔金的话说，“他可能是电子工业史上最糟糕的经理”。[39][3]肖克利专断、强势、反复无常、难以取悦，还越来越偏执。[40][41]一件广为人知的事是，公司一名秘书受了点小伤，他竟要求用测谎仪查出“肇事者”。[41]1957年底，肖克利决定不再继续硅基半导体研究，他手下八位最优秀的研究员（后来被称为“八叛逆”）辞职，[42][36]随后创办仙童半导体，肖克利半导体再没能从这次损失中恢复。[43]公司1960年被Clevite收购，1968年又卖给ITT，不久后正式关闭。[43]

接下来20年间，有65家以上新企业最终都与仙童存在员工渊源。[44]

一个约30人的同事群体自1956年起不时聚会，回忆他们与肖克利共事的时光。群体的组织者2002年称肖克利是“把硅带到硅谷的人”。[45]

种族主义与优生学观点

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参见：种族与智力争议

1960年4月肖克利离开肖克利半导体主管一职后，[46]加入斯坦福大学，1963年被聘为Alexander M. Poniatoff工程与应用科学教授，担任这一职位直到1975年退休。[47]

生命的最后20年，没有遗传学学位的肖克利因其在种族和人类智力问题上的极端观点、因其宣扬优生学而广为人知。正如《洛杉矶时报》的讣告所写：“他从一位学术资历无懈可击的物理学家变成业余遗传学家，成了一根避雷针，观点引发校园示威和铺天盖地的抨击。”他认为自己的工作关乎人类未来，还称这是他职业生涯中最重要的部分。他声称，据称智力较低者更高的生育率正产生一种劣生效应，平均智力下降将导致文明衰落，还宣称黑人在遗传和智力上都不如白人。[4]

肖克利的传记作者乔尔·舒尔金指出，肖克利一生大部分时间生活在当时种族隔离的美国，几乎没接触过黑人。[48]肖克利的传记作者、昔日同事Bo Lojek认为，1963年一则本地犯罪新闻以及随后转发的一篇J. P. Guilford文章影响了肖克利的想法。[49]

肖克利是获得先锋基金资助的种族理论家之一，至少有一笔捐款来自该基金创始人、优生学家Wickliffe Draper。[50][51]肖克利提议，智商低于100的人若自愿绝育，应给予报酬，智商每低于100一分就给1000美元。[4]这一提议导致利兹大学撤回授予他荣誉学位的邀请。[4]人类学家、极右翼活动家Roger Pearson在一本与肖克利合著的自费出版书中为他辩护。[52]

1973年，威斯康星大学密尔沃基分校教授Edgar G. Epps指出：“威廉·肖克利的立场很容易被作出种族主义的解读。”[53]1974年在小威廉·F·巴克利的节目《Firing Line》上，肖克利说：“我的研究不可避免地让我得出这样的看法，美国黑人在智力和社会方面的缺陷，主要原因是遗传的、源于种族基因，因此无法靠切实改善环境而得到根本弥补。”[54]

南方贫困法律中心把肖克利描述为白人民族主义者，说他在“几乎公认其工作是种族主义怪论”的情况下，拿不出证据支撑自己的优生学理论。[55]科普作家Angela Saini则称肖克利“是个臭名昭著的种族主义者”。[50]

肖克利坚称自己不是种族主义者。[53][56]他写道，自己的发现并不支持白人优越主义，反而声称东亚人和犹太人在智力上比白人表现更好。[53]1973年Edgar Epps写道：“我很高兴肖克利教授不是雅利安优越主义者，但我要提醒他，宣扬东方人或犹太人具有遗传优势的理论，本质上和雅利安优越主义教义一样，都是种族主义。”[53]

肖克利宣扬优生学引发抗议。一次，科学学会Sigma Xi因担心发生暴力，取消了1968年在布鲁克林举行、肖克利原定发言的一场集会。[57]

1981年在亚特兰大，科学作家Roger Witherspoon把肖克利倡导的自愿绝育项目比作纳粹人体实验，肖克利随后起诉《亚特兰大宪法报》诽谤。官司拖了三年才开庭，肖克利胜诉，但只得到1美元的名义赔偿，[58]没有得到任何惩罚性赔偿。肖克利的传记作者、当时在斯坦福大学任职的科普作家乔尔·舒尔金总结说，那篇文章确实构成诽谤，但等到判决时，肖克利的名声已经不值什么了。[59]肖克利把自己与记者的电话谈话录音、整理成文字，再用挂号信寄给记者。他一度还动过念头，要记者先就他的工作做个简单测验，才肯和他们谈相关内容。他有保存所有文件（连洗衣单都留着）的习惯，为研究他生平的人提供了大量资料。[60]

肖克利曾在1982年加利福尼亚州联邦参议员选举中争取共和党提名，竞选政纲只谈一个议题，即反对他所声称的非裔及其他群体构成的“劣生威胁”。[61][55][62]他在初选中名列第八，只得到0.37%的选票。[63]按舒尔金的说法，此时“他的种族主义毁了他的信誉，几乎没人愿意和他扯上关系，而愿意扯上关系的人，许多对他也是害大于利”。[64]

优生与劣生研究教育基金会

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优生与劣生研究教育基金会（FREED）是1970年3月在美国成立的非营利组织，用以支持时任基金会会长的肖克利及成员R. Travis Osborne的研究。[65][66][67]基金会在斯坦福大学发行名为《FREED》的通讯和研究论文。

按其宗旨，该组织“专为与人口及人口质量问题有关的科学和教育目的”而成立。[67]

1969至1976年，先锋基金拨出约250万美元（按2023年通胀调整）支持肖克利的事业，这笔资金以资助斯坦福大学“研究影响遗传潜能的因素”的形式发放，也直接拨给FREED。[68][69]

通过FREED，肖克利推行他“自愿绝育奖励计划”的设想，提议对经济困难、接受绝育手术的女性给予补偿。[68]

1970年，肖克利把前阿拉斯加州参议员Ernest Gruening列为FREED的理事。[70]

个人生活

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23岁还在读书时，肖克利于1933年8月与Jean Bailey结婚，两人有两个儿子和一个女儿。[71]1953年他与Jean分居，[36]1955年娶精神科护士Emily Lanning，后者在他研究一些理论时给予帮助。[36][72]尽管一个儿子在斯坦福大学拿到博士学位、女儿从拉德克利夫学院毕业，肖克利却认为自己的孩子“代表了非常明显的退化……我的第一任妻子也就是他们的母亲，学业成绩不如我”。[4]

肖克利是出色的攀岩者，常去哈德逊河谷的Shawangunk山岭。他1953年开辟的路线“Shockley's Ceiling”是当地经典攀岩路线之一。[24][73]攀岩指南网站Mountain Project称，因肖克利的优生学争议，该路线已改名“The Ceiling”。[74]一本1996年的指南提到，最早爬这条路线的一队人避开了那处仰顶，指南把这条变线记为“Shockley's Without”。他作为演讲者、讲师和业余魔术师很受欢迎，曾在美国物理学会发言结束时“变魔术”般变出一束玫瑰花。

肖克利早年还以精心设计的恶作剧闻名，[75]长期有饲养蚁群的爱好。[10]

肖克利曾向天才种质储存库（Repository for Germinal Choice）捐献精子。这家精子库由Robert Klark Graham创办，希望传播人类最优秀的基因，被媒体称为“诺贝尔奖精子库”。该库声称有三位诺贝尔奖得主捐赠，不过肖克利是唯一公开承认参与的。[76]然而肖克利富有争议的观点给这家精子库带来恶名，可能也让其他诺贝尔奖得主不愿捐精。[77]

肖克利生活并不幸福，常对儿子进行心理虐待，有时还施以身体虐待。[78]一次，据报道他曾作为自杀企图的一部分，对自己玩俄罗斯轮盘赌。[36][79]

1989年8月12日，肖克利在加利福尼亚州斯坦福因前列腺癌去世，享年79岁。[80]去世时，除第二任妻子外，他与大多数朋友和家人都已疏远，子女是从报纸讣告中得知他的死讯。[81]他葬在帕罗奥图的Alta Mesa纪念公园。

荣誉

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会员资格

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年份 机构 类型 参考文献
1951 美国国家科学院 院士 [82]

奖项

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年份 机构 奖项 颁奖词 参考文献
1952 无线电工程师学会 Morris Liebmann纪念奖 “表彰他为晶体管的诞生和发展所作的贡献。” [83]
1953 美国国家科学院 康斯托克物理学奖 “表彰他对固体电学和磁学性质的开创性研究与阐述，尤其是对半导体中电子和空穴导电的研究。” [84]
1953 美国物理学会 Oliver E. Buckley奖 “表彰他对半导体物理学的贡献。” [85]
1956 瑞典皇家科学院 诺贝尔物理学奖 “表彰他们（肖克利、约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿）对半导体的研究以及发现晶体管效应。” [2]
1963 Österreichischer Gewerbeverein Wilhelm Exner奖章 — [86]
1963 美国机械工程师学会 Holley奖章 — [87]
1980 电气电子工程师学会 IEEE荣誉奖章 “表彰他发明结型晶体管、模拟式和结型场效应晶体管，以及这些器件运作所依据的理论。” [88]

专利

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Shockley was granted over 90 US patents.[89] Some notable ones are:

  • US 2502488  Semiconductor Amplifier. April 4, 1950; his first granted patent involving transistors.
  • US 2569347  Circuit element utilizing semiconductive material. September 25, 1951; His earliest applied for (June 26, 1948) patent involving transistors.
  • US 2655609  Bistable Circuits. October 13, 1953; Used in computers.
  • US 2787564  Forming Semiconductive Devices by Ionic Bombardment. April 2, 1957; The diffusion process for implantation of impurities.
  • US 3031275  Process for Growing Single Crystals. April 24, 1962; Improvements on process for production of basic materials.
  • US 3053635  Method of Growing Silicon Carbide Crystals. September 11, 1962; Exploring other semiconductors.

出版物

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战前文章

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战后文章

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著作

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访谈

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参考文献

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引用

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