Уильям шокли биография кратко
Обновлено: 02.07.2024
Экспериментально доказал участие неосновных носителей в процессе переноса в твердых телах, наблюдал дрейф и диффузию дырок. Изобрел способ создания диффузионного базового электрода (диффузионный базовый транзистор).
Осуществил подробное исследование эффекта усиления и контролируемой инжекции носителей тока в полупроводниках и положил начало большой серии работ по изучению свойств германия и кремния.
В 1949 совместно с Дж. Хейнсом осуществил эксперимент, позволивший непосредственно определить подвижность и время жизни неосновных носителей заряда в германии (опыт Хейнса — Шокли), с Г. Сулом открыл влияние магнитного поля на концентрацию дырок и электронов.
В 1949 предсказал возможность осуществления триода с р - n -переходом, вывел формулу для плотности полного тока в р - n-переходе (уравнение Шокли), исходя из своей теории р - n-перехода, предложил р - п - р - транзистор.
Предсказал (1951) эффект насыщения в полупроводниках, предложил метод определения эффективной массы.
Резюме
биография
На службе у обороны
По окончании защиты диссертации Шокли был принят на работу в команду исследователей из Bell Laboratories во главе с Си Джей Дэвиссоном в Мюррей-Хилл (Нью-Джерси) . Именно там он опубликовал несколько основополагающих статей по физике твердого тела для Physical Review . В 1938 году он зарегистрировал свой первый патент на электронную пушку с электромагнитным умножителем .
Изобретение транзистора
В 1945 году Bell Laboratories сформировала команду физиков под руководством Шокли и химика Стэнли Моргана: среди них были Джон Бардин , Уолтер Браттейн , физик Джеральд Пирсон , химик Роберт Гибни, эксперт по электронике Гильберт Мур и др. Их задачей было найти прочную замену хрупким ламповым усилителям . В их первых попытках была взята идея Шокли: изменить проводимость полупроводника, погрузив его в электрическое поле; однако, независимо от конфигурации или выбора материалов, эти эксперименты регулярно терпели неудачу. Не было никакого прогресса, пока Бардин не предположил, что электризация внешнего слоя экранирует электрическое поле на внутренних слоях полупроводника. Затем команда полностью посвятила себя изучению электризации внешнего слоя.
К зиме 1946 года команда Шокли собрала достаточно результатов, чтобы Бардин опубликовал статью о конфигурациях внешнего слоя в Physical Review . Браттейн инициировал эксперименты по исследованию состояний внешнего слоя, направляя сфокусированный луч света на поверхность полупроводников. Полученные результаты послужили материалом для новых статей. Темп работ заметно увеличился, когда было обнаружено преимущество покрытия контактов между полупроводником и проводниками электролитами . Затем Мур сделал схему , которая позволила частоту входного сигнала , который будет изменяться легко и , когда , наконец , Пирсона, по идее Шокли, применяется разность напряжений на поверхности капли гликоля бората (вязкий раствор (общего использования в электролитических конденсаторов ), вставленные через PN-переход , исследователи получили первые проявления усиления мощности .
Эмуляция и теоретический прогресс
Но юристы лабораторий Bell очень быстро узнали, что принцип полевого эффекта Шокли уже известен и что немецкий физик Дж. Лилиенфельд запатентовал эффект MESFET в Канаде, а также различные устройства, использующие это явление, еще в 1925 году. Хотя патент Лилиенфельда казался уязвимым (его устройства никогда не производились, и, по всей вероятности, они не могли функционировать как есть), юристы Bell запатентовали только приложения точечного электрического контакта Бардина-Браттейна. Три других патента на транзисторы с электролитом, приписываемые Бардину, Гибни и Браттейну; Имя Шокли нигде в этих патентах не фигурировало, последний был возмущен: он сообщил Бардину и Браттейну, что намерен запатентовать эффект поля только на свое имя.
Теперь Шокли в одиночку стремился разработать другой тип транзистора, основанный на переходах, а не на точечных контактах, считая, что этот компонент был бы более прибыльным с коммерческой точки зрения, потому что он нашел транзисторы Браттейна и Бардина хрупкими и сложными в производстве. более того, теория усиления точечным контактом не казалась ему удовлетворительной, и он скорее воображал инициирование проводимости путем инжекции неосновных носителей заряда . В 13 февраля 1948 г. Другой член группы, Джон Шайв , разработал транзистор с бронзовыми контактами по обе стороны от германиевой пленки : этот компонент самим своим существованием продемонстрировал, что электронные промежутки распространяются не только по поверхности, но и в массе кристалл германия. Изобретение Шайва, казалось, послужило толчком к изобретению Шокли переходного транзистора: фактически, несколько месяцев спустя Шокли разработал совершенно новый тип транзистора, который состоял из набора переходов. Такая же структура будет и у большинства транзисторов 1960-х годов; после этого он будет развиваться в сторону биполярного переходного транзистора .
Это привело к изобретению биполярного транзистора , о котором было объявлено на пресс-конференции 4 июля 1951 г. .
В 1956 году Шокли уехал из Нью-Джерси в Маунтин-Вью (Калифорния) , чтобы открыть там полупроводниковую лабораторию Шокли и быть ближе к своей семье, живущей в Пало-Альто (Калифорния) . Компания, входящая в состав Beckman Instruments , Inc., была первой, кто работал над кремниевыми полупроводниковыми компонентами в том, что позже стало Силиконовой долиной .
После 1960-х годов Шокли был профессором Стэнфордского университета и также стал ярым сторонником евгеники . Его взгляды на чернокожих американцев, которых он по наследству считал имеющими более низкий средний IQ, чем белые, в частности, принесли ему много критики и обвинений в научном расизме.
Шокли был назван журналом Time в качестве одного из 100 самых влиятельных людей XX - го века .
Уильям Брэдфорд Шокли
Дата рождения: 13.12.1910
Дата смерти: 12.08.1989
Дополнительные имена: Viljams Šoklijs, William Shockley Категории: Физик Национальность: американец Кладбище: Указать кладбище
Уильям Брэдфорд Шокли (англ. William Bradford Shockley; 13 февраля 1910 года, Лондон — 12 августа 1989 года, Стэнфорд) — американский физик, исследователь полупроводников, лауреат Нобелевской премии по физике 1956 года. В годы Второй мировой войны Шокли участвовал в создании американской школы исследования операций и в разработке тактики стратегических бомбардировок. В январе 1948 года Шокли изобрёл плоскостной биполярный транзистор, а затем создал научную теорию, объяснявшую его работу. В 1956 году Шокли основал названную его именем лабораторию, которая стала одним из истоков Кремниевой долины.
Происхождение. Детство (1910—1928)
Университетские годы (1928—1936)
К восемнадцати годам Шокли достиг пика физической формы, которую поддерживал постоянными тренировками, и даже снимался в рекламе спортивных тренажёров. Примерно тогда же сформировалась доминирующая черта характера Шокли — неукротимая тяга к соперничеству. Осенью 1928 года Шокли перешёл из университета в Калифорнийский технологический институт — в те годы небольшой колледж, занимавшийся исключительно фундаментальной наукой под руководством нобелевского лауреата Роберта Милликена. Четыре года обучения Шокли в Калтехе совпали с периодом формирования квантовой механики, и именно на ней Шокли и сосредоточился. Учебный план Шокли составил будущий дважды нобелевский лауреат Лайнус Полинг, а наибольшее влияние на Шокли, с его слов, оказали преподаватели теоретической физики Уильям Хаустон[en] и Ричард Толмен.
В 1932 году Шокли поступил в докторантуру Массачусетского технологического института (MIT). Его научными руководителями стали вначале Джон Слейтер, а с 1933 года — ученик Карла Комптона Филипп Морзе. Морзе был не только блестящим преподавателем и организатором, но и человеком со связями — он входил в кружок ведущих инженеров и менеджеров Bell Labs, посещавших вместе подпольные заведения Нью-Йорка. Морзе познакомил Шокли с его будущим шефом Мервином Келли и с Уолтером Браттейном. Тогда же, в августе 1933 года, 23-летний Шокли женился на Джин Альберте Бейли, а в марте 1934 года Джин родила девочку, Аллисон Шокли.
Весной 1936 года, когда Шокли завершал работу над докторским дипломом, в США продолжалалась Великая депрессия. Университеты прекратили наём новых сотрудников, а Шокли надо было кормить семью. Поэтому, когда Келли предложил Шокли работу в нью-йоркском исследовательском центре Bell Labs с начальной зарплатой 310 долларов в месяц, Шокли немедленно согласился. После защиты диплома Шокли в июне 1936 года вся семья переехала в Нью-Йорк и обосновалась на 17-й улице.
Ранние работы на Bell Labs (1936—1942)
К 1938 году рабочие частоты вакуумных ламп выросли настолько, что периоды колебаний стали сопоставимы с временем пролёта электрона между электродами. Радиотехникам потребовалась новая модель, описывающая не ток электронов от катода к аноду, но ток, наведённый этими электронами на электроды лампы. Традиционный анализ требовал трудоёмкого интегрирования напряжённости поля по теореме Гаусса. По Шокли, этот расчёт можно было заменить простой формулой, не требующей интегрирования. Независимо от Шокли к аналогичному решению пришёл Саймон Рамо[en][29]. После публикации его работы в 1939 году модифицированная формула стала известна как теорема Шокли — Рамо Она оказалась применима не только к вакуумным лампам, но и к емкостям колебательных контуров, к газонаполненным (ионизационные камеры) приборам и полупроводникам (солнечные батареи).
Вторая мировая война (1939—1945)
См. также: Деление ядра
Сразу после этого доклада Bell Labs прекратила свой ядерный проект — скорее всего, по указке правительства. Доклад Шокли и Фиска, вероятно, был известен британским и канадским ядерщикам, но в самих США его держали в секрете от собственных физиков. Обнародовать свою работу Шокли и Фиск не могли, так как в стране уже действовал мораторий на публикации по ядерной физике. Они подали патентную заявку на разработанную ими схему реактора, а состоявшаяся после войны экспертиза показала, что именно Шокли и Фиск являются авторами первой работоспособной схемы реактора. Со слов Фиска, правительство США решило не допустить того, чтобы стратегически важный патент оказался в частной собственности: правительство надавило на AT&T, и компания тихо отказалась от борьбы за патент на реактор.
Работы на ВМФ США
См. также: Битва за Атлантику (1939—1945)
Весной 1942 года Морзе пригласил, а фактически мобилизовал, Шокли на должность директора по исследованиям недавно созданной группы по противолодочным операциям (англ. Anti-Submarine Warfare Operations Research Group, ASWORG). В течение последующих полутора лет Шокли занимался исследованием операций противолодочных сил и атлантических конвоев. По мнению биографа Шокли Джоэла Шуркина, лето 1942 года стало лучшим периодом в жизни Шокли, за которым последовала необратимая деградация.
Вначале Морзе поручил Шокли разобраться с проблемой неэффективности авиаударов по подводным лодкам. Глубинные бомбы, сбрасываемые с самолётов, на практике были намного менее эффективными, чем те же бомбы, сбрасываемые с надводных кораблей. Несколько дней спустя Шокли нашёл ответ: эсминцы сбрасывали бомбы на подводные цели, самолёты — на надводные, однако взрыватели авиационных глубинных бомб устанавливались на стандартную флотскую глубину срабатывания для подводных целей — 75 футов (25 м). По рекомендации Шокли взрыватели авиационных бомб установили на глубину срабатывания 35 футов, и через два месяца флот сообщил, что эффективность поражения подлодок с воздуха выросла в пять раз. Однако вскоре, когда группа Шокли занялась вопросами поиска подлодок и оценкой эффективности противолодочных радаров, стало ясно, что флотская отчётность недостоверна. Чтобы понять, насколько она недостоверна, физикам и математикам пришлось переселиться на военно-морские базы и летать в Атлантику с боевыми экипажами, одновременно обучая лётчиков новейшей тактике патрулирования.
Группе Шокли довелось делать и нежелательные для ВМФ открытия. Сотрудник Шокли, изучавший эффективность пеленгации радиопередатчиков немецких подлодок, установил, что достижения американских радистов существенно превосходили расчётную точность триангуляции. Когда Морзе доложил о странном выводе руководству ВМФ, тему срочно закрыли: аналитик Шокли случайно вышел на другой, глубоко засекреченный источник информации — взломанные англичанами немецкие шифры.
Работы на ВВС США
См. также: Стратегические бомбардировки в период Второй мировой войны
В течение 1943 года союзники выиграли битву за Атлантику, и в январе 1944 года Шокли перешёл из подчинения ВМФ в группу консультантов стратегической авиации. Весной и летом 1944 года Шокли разрабатывал программу обучения лётчиков навыкам ориентации и бомбометания по индикатору кругового обзора бортового радара. Облетев вдоль и поперёк район учебных полётов в Северной Каролине, Шокли составил карту характерных примет местности и их радиолокационных профилей, по которым тренировали лётчиков дальней авиации. Обучение по программе Шокли занимало 85 лётных часов, по окончанию программы бомбардиры должны были укладывать бомбы в радиусе 500 м (1700 футов) от расчётной цели — ночью, со средних высот на крейсерской скорости. Промахи обычно свидетельствовали не об ошибках лётчиков, а о неточности радиолокационных карт.
В сентябре 1944 — феврале 1945 года Шокли предпринял уникальное для того времени кругосветное путешествие. Он посетил коллег в Англии, провёл несколько недель на авиабазах в Индии, а затем вылетел на захваченный у японцев Сайпан для оценки боевой эффективности бомбардировок Японии новейшими B-29. Январь 1945 года Шокли провёл на Цейлоне, составляя радиолокационные карты для налётов на Осаку и Нагою. В марте 1945 года эти карты пошли в дело. По мнению командующего ВВС генерала Арнолда, неожиданно раннее (2 сентября 1945 года) окончание войны было, в том числе, личной заслугой Шокли.
Изобретение транзистора (1946—1950)
Война изменила отношение Шокли к собственному месту в науке. Шокли навсегда отошёл от чистой науки, сосредоточившись на прикладных, практических задачах. Он сохранил дар теоретика, но теория интересовала его исключительно как средство, ведущее к практической цели — созданию полупроводниковых приборов. Война отрицательно повлияла на психику Шокли, его брак с Джин Бейли был близок к распаду. В 1942 и 1947 годах Джин родила Шокли двух сыновей, но к концу войны супругов не связывало ничего, кроме ответственности за детей. 6 ноября 1943 года, во время одного из редких отпусков, Шокли предпринял неудачную попытку застрелиться. Поводы к самоубийству, причины глубокой депрессии Шокли в этот день остались неизвестны. Шокли никогда более не предпринимал попыток самоубийстваx: вероятно, он решил, что судьба дала ему второй шанс. В бога Шокли не верил. В первые два-три года после войны Шокли, со слов очевидцев, вёл себя безупречно, но в декабре 1947 года в его жизни произошёл другой кризис. Изобретение точечного транзистора, в котором Шокли не принимал участия, побудило Шокли начать теоретическую проработку гипотетического плоскостного транзистора — работу, которая принесла ему Нобелевскую премию.
Транзистор Бардина и Браттейна
Главный творческий прорыв состоялся не тогда, когда я пытался изобрести транзистор, а когда я конструировал установку для экспериментов с поверхностными явлениями в точечных транзисторах. Внезапно до меня дошло, что экспериментальная структура и есть транзистор. Именно она и была запатентована как плоскостной транзистор. Я был удручён тем, что, зная всё необходимое для этого изобретения, я целый год не мог соединить части целого — до тех пор, пока не появился раздражитель в лице точечного транзистора. — Уильям Шокли, 1972
23 января 1948 Шокли понял, что, возможно, допустил ошибку. Его анализ не учитывал роли неосновных носителей, также как не учитывал их Бардин. Возможно, подумал Шокли, что инжекция неосновных носителей в полупроводник (дырок в полупроводник n-типа или электронов в полупроводник p-типа) запускает в нём каскад образований электронно-дырочных па. Если это верно, то трёхслойная полупроводниковая структура может усиливать ток. Шокли не сразу осознал значение этого вывода, да и не имели средств экспериментально проверить его. Он продолжал работать в одиночку, скрывая свои работы от Бардина. 18 февраля в Bell Labs состоялся научный семинар, на котором Джон Шайв продемонстрировал вариант точечного транзистора, контакты которого были расположены на противоположных сторонах германиевой пластинки. Между прототипом Шайва и гипотетическим трёхслойным транзистором Шокли был всего один шаг. Опасаясь, что Бардин и Браттейн сумеют сделать его, Шокли решил раскрыть свои карты. Он вышел к доске и сделал короткий, убедительный доклад-экспромт о своей концепции биполярного транзистора. Все присутствующие, включая Бардина, были поражены красотой идеи. Браттейн с трудом скрыл возмущение тем, что Шокли фактически противопоставил себя коллективу, работая дома, в тайне от коллег.
Вторая половина жизни (1950—1989)
Кризис среднего возраста (1950—1955)
События декабря 1947 года, по мнению Зейтца, запустили необратимый процесс деградации личности Шокли К 1950 году он переживал кризис среднего возраста[105]. Он редко появлялся в семье, проводя большую часть времени в разъездах. Он отказался от предложения Ванневара Буша перейти на постоянную работу в Пентагон, а работа на Bell Labs его не удовлетворяла[106]. Бывшие коллеги и сверстники давно получили повышение, а Шокли досталась почётная, но не влиятельная, должность директора по найму новых сотрудников[107]. Руководители Bell Labs ценили способность Шокли распознавать таланты, но они также знали, что Шокли не способен руководить коллективом, и не допускали его до командных должностей[108]. Бездушие и своеволие Шокли дорого обошлись компании: он выжил из Bell Labs не только Бардина, но и десятки менее известных специалистов, искренне считая, что они не удовлетворяют его стандартам Когда Шокли объявил о предстоящем уходе из Bell Labs, руководство института вздохнуло с облегчением, а Мервин Келли взялся лично помогать Шокли в поиске нового места. Калифорнийский университет в Беркли и Йельский университет предложили Шокли кафедры, но карьера профессора его не интересовала[110]. Шокли предвидел, что будущее — за частными бизнесом, и искал инвесторов, согласных профинансировать его собственное предприятие[110]. Последним вкладом Шокли в патентную сокровищницу Bell Labs стало изобретение в начале 1955 года (совместно c Джорджем Дэйси и Чарлзом Ли) первой технологии массового производства диффузионных меза-транзисторов[111]. 8 сентября 1955 года Шокли подал Келли заявление об увольнении[112].
В феврале 1953 года медики диагностировали у Джин Шокли рак матки[113]. Шокли по-своему принял участие в лечение нелюбимой жены: операции и облучения изотопами были для него этапами очередного, непредсказуемого эксперимента[114]. В июне 1953 года, когда Джин лежала в радиологическом отделении нью-йоркской больницы, Шокли прямо в палате объявил ей, что уходит из семьи[113]. Поступок, шокировавший коллег Шокли, не имел очевидных причин. Других женщин у Шокли не было. Возможно, что Шокли хладнокровно спланировал собственную жизнь в старости, когда ему самому мог потребоваться медицинский уход: больной жене в этой схеме места не нашлось[115]. В сентябре-октябре 1953 года, во время командировки в Париж, Шокли завёл роман с некоей француженкой, но после возвращения в США его настигла глубокая депрессия[116]. Дневники Шокли за 1954 год и первую половину 1955 года заполнены свидетельствами душевного надрыва: Шокли, вероятно, впервые в жизни, попытался заглянуть в глубину собственной души и понял, что вряд ли выживет в одиночку[117].
Катастрофа 1961 года
23 июля[154] 1961 года Шокли, Леннинг и тринадцатилетний сын Шокли Ричард разбились в автокатастрофе[155][156]. Ричард, вылетевший при ударе из машины, почти не пострадал, а Шокли и Леннинг надолго выбыли из строя[155]. После месяца, проведённого на больничной койке, Шокли почти год ходил на костылях и так и не смог полностью восстановиться физически[157]. По мнению Зейтца, опубликованному в Nature после смерти Шокли, именно полученные в 1961 году повреждения головного мозга обусловили странности в поведении Шокли и его навязчивые идеи о вырождении человечества, впервые проявившиеся в 1963 году[158].
Полемика о евгенике (1963—1969)
В начале 1972 года на Шокли обрушился гнев чернокожей части Стэнфорда[184]. В январе-феврале 1972 года вандалы разграбили один из кабинетов Шокли и его автомобиль[184]. Затем чернокожие студенты потребовали собрать совет чернокожих же преподавателей, чтобы изгнать Шокли из университета[184]. Ректорат Стэнфорда и ACLU осторожно поддержали Шокли, но за пределами университета ему уже не давали слова[185]. Йельский и Гарвардский университеты отменили запланированные дебаты с участием Шокли, Лидский университет отобрал у Шокли уже выданный почётный докторский диплом[186].
Шокли: … Люди, утверждающие, что моя риторика — это расизм, выдают желаемое за действительное. Ни в моих статьях, ни в устных выступлениях нет никакого расизма. Джонс: То есть вы просто считает, что белая раса интеллектуально превосходит чёрную? Шокли: Статистически, да. Но не в частных случаях.[194]
Скандал вызвали не эти, уже приевшиеся, слова о наследственности и статистике, а откровения Шокли о собственных детях и о первой жене:
Сравнительно с моими [интеллектуальными] способностями, мои дети — значительный регресс (англ. regression). Моя первая жена, мать моих детей, никогда не достигла такого образовательного уровня, которого достиг я … младший сын [Ричард Шокли] добился в физике степени доктора, но я думаю, что в некотором смысле его выбор был ошибочным: он вряд ли когда-либо достигнет высот, к которым его обязывает его фамилия…
Реальный вклад Шокли в изучение наследственности человека оказался скудным. Шокли не проводил оригинальные исследования, но лишь обобщал уже собранные массивы информации. По мнению Дженсена, основной заслугой Шокли было то, что, приняв на себя огонь критики, Шокли отвёл его от самого Дженсена, Ричарда Хернстина[en] и их коллег.
В 1987 году медики выявили у Шокли рак простаты и назначили ему консервативную лучевую терапию. Вскоре Шокли начал испытытывать трудности при ходьбе, а затем мучительные боли во всём теле: рак метастатировал в кости. В 1988 году Шокли окончательно слёг. Эмми перевезла его в хоспис и переехала туда сама. Последние месяцы жизни Шокли провёл в полусумеречном состоянии на морфиновой капельнице. Со слов Эмми Шокли, воспроизведённых в некрологе от имени Стэнфордского университета, ещё за несколько дней до смерти Шокли продолжал работу по теме евгеники, которую считал более важной, чем его работы по физике.
Расскажем об основных открытиях и изобретениях в области полупроводников гениального современного физика со сложным и противоречивым характером. Статья посвящена 110-летию со дня рождения Уильяма Шокли.
Уильям Шокли (William Shockley, рис. 1) родился в Лондоне в семье американского горного инженера [1, 2]. Вскоре его семья вернулась в Америку и поселилась в калифорнийском городке Пало-Альто.
Рис. 1. Уильям Шокли (1910–1989)
Уильям был буйным и трудным ребенком, поэтому начальное образование получил дома. Обучался в двух калифорнийских университетах, а затем защитил в 1936 г. в Массачусетском технологическом институте докторскую диссертацию по физике твердого тела. После чего был приглашен в нью-йоркскую лабораторию Bell Labs директором по исследованиям Мервином Келли (Mervin Kelly) [3]. Эта лаборатория компании AT&T была образована в 1925 г. для объединения ученых разных специальностей. Однако Келли считал, что для успеха такого коллектива необходим лидер — гений в своей области. И именно такого человека он увидел в молодом Шокли. Телефония к тому времени уже использовала электронные лампы, и Келли, руководивший отделом этих ламп, как никто другой видел их недостатки. Поэтому перед Шокли и физиком-экспериментатором Уолтером Браттейном (Walter Brattain) была поставлена задача замены ламп на нечто без стекла и вакуума. Выбор был сделан в пользу полупроводников: первым из них стал купроксный выпрямитель, в который Шокли в 1939 г. попробовал (правда, безуспешно) ввести, подобно Роберту Полю (Robert Pohl), управляющую сетку [4, 5].
Исследования были прерваны войной, во время которой Шокли совершенствовал применение глубинных бомб и радаров и впервые предложил использовать ртутные трубки в линии задержки [3]. После войны поиски твердотельного электронного прибора расширились и в группу Шокли вошло уже семь физиков [2, 3]. В этот раз он решил воздействовать на новый материал — германий (Г) — на подложке (П) электростатическим полем сетки (С), влияющим, по мнению Шокли, на поток электронов от катода (К) к аноду (А) (рис. 2) [5, 6, 7]. Однако все макеты Браттейна оказались неработоспособными, и объяснил это физик-теоретик Джон Бардин (John Bardeen), создав теорию поверхностного состояния [5]. После этого Шокли, охладев к своей идее, оставил Браттейна и Бардина самостоятельно искать пути управления электронами, и в результате в декабре 1947 г. они изобрели точечный транзистор [5, 6, 7, 8].
Рис. 2. Опыт Шокли
Это неожиданное открытие коллег было для Шокли большим разочарованием. С одной стороны, он прекрасно понимал, что изобретенное устройство не имело прямого отношения к продвигаемому им полевому эффекту. С другой стороны, получалось, что его восьмилетние усилия в этом направлении не привели к его личному триумфу [2, 3].
Рис. 3. Структура (слева) и обозначение (справа) биполярного n-p-n-транзистора
Биполярный транзистор имеет два полупроводниковых слоя n-типа с избыточным количеством электронов e, подключенных к эмиттеру (E) и коллектору (C) соответственно, которые, в свою очередь, разделены слоем полупроводника p-типа с избыточным количеством дырок (т. е. ионов атома, лишенных одного электрона), с выводом базы (B) [4]. На границах слоев разного типа образуется тонкая зона (зачернена), называемая p-n-переходом, или обедненным слоем, лишенным заряда, поскольку свободные электроны из слоя n-типа свободно переходят в слой p-типа, закрывая имеющиеся там дырки. Эти переходы, служащие изолятором, препятствуют прохождению электрического тока между эмиттером и коллектором. Однако приложение положительного относительно эмиттера базового напряжения вытягивает часть электронов p-n-переходов, открывая путь потоку электронов от эмиттера к коллектору. При этом коллекторный ток пропорционален базовому, т. е., в отличие от электронных ламп, биполярный транзистор управляется не напряжением, а током.
Все случившееся привело к личной неприязни и уходу Бардина и Браттейна. К тому же многие отмечали отрицательные качества Шокли как руководителя: неуважение ко мнению коллег, несдержанность, подозрительность, стремление везде быть первым, что особенно проявилось при управлении собственной компанией в Пало-Альто и на заключительном этапе его жизни [2, 3, 6, 9].
Биполярный транзистор был не единственным значимым электронным элементом, изобретенным Шокли. В 1952 г. он патентовал конструкцию полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (JFET) (рис. 4) [1, 9].
Рис. 4. Полевой транзистор Шокли
Он имеет полупроводниковый канал n-типа (1) с двумя электродами — исток (2) и сток (3), подключенными к батарее (БС), а также управляющий электрод, затвор в виде двух пластин p-типа (4) и (5), образующих два p-n-перехода (6) с источником управляющего напряжения (БУ). При отсутствии БУ в канале идет ток, вызванный потоком свободных электронов полупроводника n-типа. При отрицательном управляющем напряжении p-n-переходы включены в обратном направлении. При этом свободные электроны канала переходят в исток, имеющий положительный относительно затвора потенциал, создавая тем самым обедненные слои (6), которые расширяются по мере роста управляющего напряжения [4]. Это означает, что сопротивление канала увеличивается и ток падает. Однако практическая реализация полевого транзистора стала возможной лишь в 1959 г., когда Мохамед Аталла (Mohamed Atalla, выходец из Египта) и Дэвон Канг (Dawon Kahng, родом из Южной Кореи) разработали в Bell Labs технологию покрытия кремния слоем окиси кремния (SiO2, кварц), что позволило парировать эффект поверхностного состояния Бардина. Так был создан MOSFET-транзистор, являющийся в настоящее время основным компонентом цифровых интегральных микросхем [9].
Не менее важным изобретением Шокли был динистор (диод Шокли), задуманный для реализации замысла Келли по замене электромеханических телефонных коммутаторов. Разработка такого электронного переключателя и была основным занятием компании Шокли в Пало-Альто в конце 1950-х гг. (рис. 5) [1, 2, 3, 10].
Рис. 5. Структура (слева) и схема (справа) динистора
Динистор имеет четырехслойную структуру в виде двух p-n-p и n-p-n биполярных транзисторов, соединенных с анодом (А) и катодом (К). Поскольку в них, как отмечалось выше, коллекторный ток определяется базовым током, то динистор не пропускает ток вплоть до напряжения пробоя, создающего коллекторный ток через верхний транзистор и являющегося базовым для нижнего транзистора, что приводит к насыщению обоих транзисторов и максимальному току открытого динистора, не разрушающему, однако, p-n-переходы. Для выключения динистора нужно существенное уменьшение анодного напряжения. Преимуществом динистора является его высокое быстродействие и чрезвычайно низкое сопротивление при включении, что позволяет реализовать переключатели и генераторы на десятки кВ и сотни кА. По сути, динистор — это прообраз интегральных схем, предложенных вскоре Джеком Килби (Jack Kilby) и Робертом Нойсом (Robert Noyce) [3, 6].
Следует отметить, что еще в 1950 г. Шокли высказал идею кремниевого управляемого прибора, названного тиристором, однако ее реализацией занялись другие сотрудники Bell Labs, а опытные образцы были созданы компанией General Electric лишь в 1956 г. [11].
Рис. 6. Глаз робота
В 1961 г., после тяжелой автомобильной аварии, в которой они с женой и сыном чудом выжили, Шокли перешел работать профессором в Стэнфордский университет и углубился в евгенику, которая объясняет все качества и свойства человека его наследственностью [2]. В частности, профессор того же университета Льюис Термен (Lewis Terman) был убежден в том, что способность к научно-технической деятельности определяется коэффициентом интеллекта IQ: тестируя студентов, он пытался выявить научных гениев и будущих нобелевских лауреатов. В последних он ошибся только дважды — с Шокли и с Луисом Альваресом (Luis Alvarez). Несмотря на это, сам Шокли широко использовал такой коэффициент при наборе сотрудников. Впоследствии он пошел еще дальше, уверовав, что у афроамериканцев IQ статистически ниже, и поэтому призывал ограничить их рождаемость, чтобы не понижать средний IQ всего населения. В разгар кампании 1960-х гг. за права чернокожих в Америке эти теории Шокли вызвали резкое неприятие друзей и коллег, которые все больше отворачивались от него, и даже собственные дети узнали о его смерти из газет [2].
Тем не менее заслуги Шокли перед физикой и электроникой несомненны. Он автор более 90 патентов. Редко какое открытие физики так разительно меняет нашу повседневную жизнь, как это сделал транзистор. Шокли был разносторонней личностью, в частности, в разгар атомного проекта предложил разновидность атомного реактора, который был запатентован и засекречен [2, 6]. Помимо Нобелевской премии, он удостоен и других престижных наград по физике и медали почета IEEE.
Творческую жизнь великого ученого и изобретателя Шокли можно разделить на три периода:
Читайте также: