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核心技术何来?硅谷奠基人之一肖克莱的创新实践

2018年07月18日 14:00 来源于 财新网
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资料图:晶体管的发明者:肖克莱、巴丁、布拉顿。图/东方IC

  [作者按:中兴事件之后,举国上下热议中国的战略性新兴产业如何才能不被“掐脖子”。越来越多的人士意识到必须切实提高我国的关键核心技术创新能力。冰冻三尺非一日之寒,我国科技发展水平,特别是关键核心技术创新能力之所以同国际先进水平相比还有很大差距,很大程度上是因为我们的科技创新管理的理念和方式还比较落后。因此,深入剖析发达国家的一些关键核心技术开发取得突破的典型案例,譬如晶体管发明案例,无疑有助于我们加深对科技创新管理应然性的理解。]

  撰文 | 周程(北京大学科学技术史教授)

  作品来源:《知识分子》(微信公号:The-Intellectual)

  晶体管被认为是20世纪最重大的发明之一,引发了一场声势浩大的半导体革命。今天,“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。只有把关键核心技术掌握在自己手中,才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全”已成为社会共识,重新审视20世纪中叶美国贝尔电话实验室(1970年代更名为贝尔实验室,以下简称贝尔)启动晶体管研发的过程,并从中汲取有益的经验,对增强我国的关键核心技术的创新能力无疑大有裨益。

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肖克莱(W. B. Shockley,1910-1989)

  接下来,笔者拟以贝尔的晶体管研发项目负责人、诺贝尔物理学奖获得者肖克莱(W. B. Shockley,亦译肖克利)为线索,着重考察肖克莱在点接触晶体管发明过程中所发挥的作用,以及他的结型晶体管和结型场效应晶体管的发明经纬,然后再结合核心技术创新管理中的一些问题进行若干粗浅的讨论。对肖克莱发明结型晶体管等史实已经非常熟悉或者兴趣不浓的读者可以直接从第五节的“分析讨论”开头读起。

  肖克莱于1910年2月13日生于英国伦敦,父母都是美国人,父亲毕业于美国麻省理工学院,曾以采矿工程师等身份在包括中国在内的多个国家工作过,后被派驻英国;母亲毕业于斯坦福大学,27岁时同年长自己24岁的丈夫结婚,婚后两年生下肖克莱。1913年4月肖克莱一家迁回美国旧金山。作为独生子,肖克莱童年时接受过良好的启蒙教育。读初中期间,肖克莱深受好友的父亲——斯坦福大学物理系教授、X射线领域专家罗斯(P. Ross)的影响,并被其收为义子。1932年,肖克莱在加州理工学院物理系获得学士学位;此后,转入他父亲的母校麻省理工学院主攻固体物理学,并于1936年获得博士学位;同年6月,肖克莱接受贝尔基础研究部主任凯利(M. J. Kelly)的邀请加盟贝尔。

  凯利1936年出任贝尔基础研究部主任前,曾任该部电子管部门负责人。由于贝尔的母公司美国电话电报公司(AT&T)当时使用的电话交换机主要是电子管式的,而电子管却存在着启动需要预热时间,以及能耗大、散热难和寿命短等不足。尽管如此,科研人员,尤其是拥有众多电子管专利的欧洲公司的科研人员仍然希望沿着原有技术轨道——通过对电子管加以改进来解决这些难题。但凯利却认为有必要另辟蹊径,从固体物理方面来探索一下替代电子管的出路。基于以量子力学为基础的固体物理深具研究价值的判断,贝尔的基础研究部决定充实、加强固体物理方面的研究力量。

  上任伊始的凯利除了组织室内有关科研人员学习、进修新兴的量子力学知识外,还把目光转向了正在麻省理工学院攻读固体物理学博士学位的肖克莱。他亲赴麻省理工学院当面向肖克莱发出了加盟贝尔的邀请,并在肖克莱报到后不久,向其提出将目光放远一点,争取在开发电子管替代产品方面有所作为的希望。

  肖克莱加入贝尔初期,被安排在电子管部门工作。1938年,凯利在重组物理学研究部时,将肖克莱编入了一个新成立的独立研究小组,让其尽量少受知识结构老化的权威的干扰,可以集中精力从事固体物理的基础研究,并赋予其充分的研究自主权。这种几乎不受老体制约束的宽松的研究环境,激发了肖克莱大胆尝试的热情,并促使其于1939年12月底认识到用半导体材料取代电子管制作放大器在原理上是可行的。不过,其后不久,德军开始攻击法、英,二战的规模不断扩大。为未雨绸缪,美国科研人员不得不将他们正在从事的常规性研究置于一旁,而把研究方向转向军事技术,贝尔当然也不例外。这样,肖克莱等人的半导体放大器的研究也就被迫暂时中断了。

  1940年8月,因受德军的空中威胁,国内的科学研究难以为继,故英国首相丘吉尔(W. Churchill)决定派遣著名物理学家蒂泽德(H. Tizard)率领一个特使团访美,启动英、美雷达技术合作研究项目。受其影响,肖克莱于1940年底离开贝尔总部,来到惠帕尼实验室,开始从事雷达用磁控管和晶体测距元件的研究;1942年5月,他又被抽调到美国海军部所属的反潜艇作战研究小组担任技术指导;此后,又于1944年被调到美国空军基地负责为新组建的B-29轰炸机作战小组提供技术培训,以使他们能够熟练使用微波瞄准仪。1945年1月,肖克莱终于结束了在国防部的战时研究工作,重返贝尔,来到凯利的麾下。

  凯利从战时所涉及的军事研究,尤其是从微波研究以及雷达系统的开发中认识到,战后基于微波理论的通讯技术极有可能取得重大突破,而固体物理将在其中扮演一个非常关键性的角色。因此,贝尔有必要迅速恢复因战争而中断的固体物理方面的研究。他认为才思敏捷、精力旺盛的肖克莱是负责这个关键性研究项目的最佳人选。

  1945年3月下旬,凯利带着两位协助其制定战后研究计划的助手肖克莱及其同学菲斯克(J. Fisk)驱车前去拜访贝尔实验室的同事、超短波无线电通讯专家、P-N结光生伏打效应的发现者奥尔(R. Ohl)。会面时,奥尔出示了一只无线电接收机,该接收机使用点接触晶体检波器作为信号放大器。尽管这种放大器非常粗糙,且性能极不稳定,但奥尔用其制作成无线电接收机,仍是一件了不起的创举。凯利当时希望肖克莱发挥其固体物理学理论专长给奥尔的放大器作出一个合理的解释。

  受奥尔演示实验的影响,肖克莱开始清理战前的研究思路,重新思考固体放大器的研制问题。他认为,战时其好友塞茨(F. Seitz)等人在参与开发雷达用晶体检波器时已经掌握了制备超高纯硅晶体的方法,并使用掺杂技术制造出了具有较好导电性能的P型半导体和N型半导体,这应该成为固体放大器的新的研究起点。

  经过一番努力之后,肖克莱形成了利用空间场效应设计一种全新的硅半导体放大器的想法。之后他便开始尝试用实验来检证自己的设想。然而,无论怎么努力,当初的设想都无法获得确证。肖克莱感到困惑,但又无法做出合理的解释,于是不得不暂时转去研究其他问题。

►肖克莱的场效应放大器构想示意图

  1945年7月,升任贝尔执行副总裁不久的凯利宣布,重新组建物理部门下属研究机构,由肖克莱和化学家摩尔根(S. Morgam)领导固体物理组,该组下设半导体和冶金两个研究小组,分别负责器件和材料的研究开发,并明确由肖克莱兼任半导体研究小组组长。研究小组成立后不久,肖克莱在贝尔的一些伙伴——实验物理学家布拉顿(W. H. Brattain)和皮尔逊(G. L. Pearson)、物理化学家吉布尼(R. Gibney)和电路专家H.穆尔(H. Moore)等人便先后加盟半导体研究小组。在肖克莱的推荐下,同年10月凯利又以高薪为半导体研究小组引进了精通固体物理的杰出理论物理学家J.巴丁(J. Bardeen)。

  巴丁加盟贝尔后不久,肖克莱便带着困惑同他谈起了自己的“场效应放大器”实验。巴丁对上司肖克莱早期的空间场效应思想未得到确证的问题颇感兴趣,经过一段时间的苦思冥想后,提出了“表面态理论”。早年曾从事过表面态问题研究的肖克莱鼓励巴丁先就表面态问题进行深入探索。于是,此后的一段时期,半导体研究小组将研究重点由场效应放大器的研制转向了半导体基础理论问题——表面态的研究。因为表面态问题不弄清楚,场效应放大器的实验设计就无法入手。

►巴丁的表面态解释示意图

  经过一年多反反复复的实验,半导体研究小组的表面态研究取得了重大进展。1947年9月,研究小组确认表面态效应确实存在。进一步研究后发现,在电极板与硅晶体表面之间注入诸如水之类的含有正负离子的液体,加电压后会使表面态效应获得增强或减弱。表面态效应长期以来一直是导致场效应放大器实验失败的主要原因,其作用机理解明之后,设计、试制半导体放大器的一个重大障碍便被排除了。

  1947年11月21日,巴丁向布拉顿提出了着手进行半导体放大器研制实验的建议。二人当天便进行了实验,并在输出回路中观测到了微弱的放大电流信号。实验初步达到了预期效果,布拉顿和巴丁激动不已,当晚就将这个好消息打电话告诉了肖克莱。肖克莱此时正忙于处理固体物理学中其他领域的一些学术问题,因为他不仅是半导体研究小组组长,而且还是整个固体物理组的负责人。当他得知布拉顿和巴丁的半导体电流放大试验初获成功的消息后,非常兴奋。在其后小组讨论会上,肖克莱对接下来的实验提了一些建议,但他并没有过深地介入相关实验。

►巴丁等人11月21日的实验原理图

  接下来的实验虽然又取得了一些进展,但也遇到了一些难题。主要是他们的放大装置几乎没有电压增益以及只能在不超过10赫的超低频范围内工作,而实用放大器必须能够放大数千赫的输入信号。1947年12月8日,肖克莱与巴丁、布拉顿等人开会就实验中所遇问题的解决方案进行了讨论。巴丁提议用耐高反向电压的锗晶体取代硅晶体试一试。巴丁与布拉顿使用锗晶体进行数次实验后发现,放大器的功放系数虽有一定幅度的提升,但响应频率并没有获得改善。布拉顿认为,这也许是因为电解质的响应频率具有滞后性之故。因此,接下来需要做的就是如何摆脱电解质的滞后影响了。

  1947年12月11日,吉布尼提供了一个表面生成了氧化层(旨在替代电解质)的N型锗片,吉布尼在氧化层上面沉积了5个小金粒。布拉顿在金粒上面打了一个小洞,用钨丝穿过小洞和氧化层插入锗晶体作为一个电极,希望通过改变金粒块和锗晶体之间的电压以改变钨丝电极与锗晶体之间的导电率。布拉顿在做实验时,发现金粒与锗晶体之间的电阻很小,即氧化层并没有起到绝缘作用。尽管如此,布拉顿还是决定做几组实验试一试。在一次实验中,布拉顿非常偶然地在钨丝上加了负电压,在金粒上加了正电压,没有料到在输出端出现了和输入端变化相反的信号。初步测试的结果是:电压放大倍数为2,上限频率可达10千赫。这意味着无需在锗晶体表面特意制作一层氧化膜,简单地让金粒和锗晶体表面直接接触就可获得良好的响应频率。

  理论物理学家巴丁敏锐地意识到金粒与锗晶体的接触界面上已经出现了一种新的,与加电解质完全不同的物理现象。据此,巴丁重新设计了一组实验,实验的关键是尽可能地使锗晶体表面上的钨丝触点与金属电极靠得近一点。巴丁推算后指出,两者之间的距离应达到50微米的数量级。这对实验物理学家布拉顿来讲不是难事。他和技师很快地制作出了一套符合巴丁要求的实验装置,并于12月16日下午,与巴丁一起进行了改进后的首次实验。在这次实验中,他们获得了1.3倍的输出功率增益和15倍的输出电压增益。因此,有学者主张应该将这一天确定为晶体管的发明日。

►最早的点接触半导体放大器剖面示意图

  一周后的12月23日,肖克莱领导的半导体研究小组使用含有新发明的固体放大器的实验装置为贝尔的主管领导演示了音频放大实验。这是一次没有使用电子管的音频放大实验。实验一如人们所期待的那样获得了成功。后来,研究小组将这种固体放大器命名为“transistor”,中文译作“晶体管”。由于这种晶体管主要由两根金属丝与半导体进行点接触而构成,故被称作为双极点接触晶体管。

►全球第一个点接触型晶体管

  不过,点接触晶体管问世之初,发明者们并没有立即公开相关信息。因为他们需要把所发明的晶体管的工作原理弄清楚,特别是要把晶体中的载流子究竟是如何流动的问题解释清楚;而且,申请专利和通报军方也需要时间。

  1948年6月17日,贝尔电话实验室的专利代理人完成了点接触型晶体管的专利申报手续。6月23日,贝尔又向美国军方代表展示了其所发明的晶体管演示装置,并最终获准对外公开。与此同时,肖克莱和皮尔逊,巴丁和布拉顿分别为《物理评论》杂志合作撰写了一组介绍晶体管及其工作原理的短文。各项准备工作做好之后,贝尔6月30日在总部大楼内召开了记者招待会,公开了全球第一个晶体管问世的消息。

  点接触晶体管的发明是半导体研究小组送给贝尔的最丰盛的圣诞礼物,作为研究小组组长,肖克莱在为之感到高兴之时,也为自己未能成为这项突破性研究工作的主角而恼怒不已。更令他难堪的是他竟然不能被列入点接触晶体管专利发明人名单。其原因主要有两个:一是尽管他是半导体研究小组的负责人,但他并没有直接参与有关点接触晶体管发明的后期关键性实验;二是早在20年前就已有人提出了内容与肖克莱的场效应思想相近的专利申请,并于1930年获得了批准,故不能再将场效应思想作为专利申请书的基本内容。肖克莱为此感到沮丧,但他并没有因此而气馁。在此后的一段时间里,除半导体之外,肖克莱几乎别无所思,甚至是新年夜都不例外。

  经过一段时间的思考之后,肖克莱于1948年元月23日想出了在半导体中加一个调节阀的方法。也就是,设计一种类似于三明治结构的晶体管,这种晶体管最外两层使用性质相同的半导体材料,中间夹层使用性质完全相反的半导体材料,三根导线分别与各层相连。由于这个中间薄层的功能与自来水管道中的阀门相似,故肖克莱把这种器件称作为“半导体阀”。这种“半导体阀”的一个明显优点是,三根导线和半导体层都采用结连接。因此,可克服点接触晶体管所具有的对震动过于敏感,性能不稳定等缺点。

►N-P-N结型晶体管原理示意图

  三明治结构的结型晶体管的构想提出来了,接下来摆在肖克莱面前的问题就是,如何从理论上确认其是可行的,以及如何用实验验证其可行性?

  P-N结的存在早在1940年前后就已被贝尔的斯卡夫(J.H. Scaff)等人发现。但由于战时高纯度的硅和锗不易入手,而且即使有也因掺入杂质不易控制而很难制成合适的P-N结,故对P-N结的研究进展不大。战后,贝尔已经能够使用蒸发的方式制作锗P-N结,但这种P-N结蒸发层中的电子和空穴的迁移率太低。为解决这一难题,接替吉布尼的空缺加入半导体研究小组的物理化学家斯帕克斯(M. Sparks)将溶化了的P型锗晶体液滴滴到炽热的N型锗晶片上让其融合后形成了P-N结。对这种P-N结进行实验研究后,斯帕克斯于1949年4月确认可以使用P-N结实现功率放大。

  受这些研究的鼓舞,肖克莱加快了对P-N结以及基于P-N结的晶体管的研究进程,并于1949年7月分别在《物理评论》和《贝尔系统技术杂志》上发表了题为《流经P-N结的电流》和《半导体的P-N结理论及P-N结晶体管》的论文。这篇论文后来成了半导体研究领域中最经典的权威论文之一。

  尽管理论研究表明肖克莱的三明治结构的结型晶体管具有可行性,但是实际制作这种晶体管却遇到了很多困难。经过物理化学家蒂尔(G. Teal)等人的艰苦努力,1950年初,总算用单晶生长技术直接从熔晶中制作出P-N结。其后,蒂尔与斯帕克斯紧密合作,终于于1950年4月中旬借助拉晶机,使用双掺杂技术,制成了第一只N-P-N型晶体管。经检测,这只晶体管具有信号放大功能,但它的响应频率远低于点接触晶体管的工作频率。进一步分析后得知,问题出在中间层太厚。可是将中间层做薄后,导线又很难焊接上去。尽管如此,肖克莱仍为这一重大研究进展的取得而感到十分的高兴。

►用单晶生长法制备P-N结示意图

  结型晶体管问世后不久,朝鲜战争便爆发了。肖克莱二战期间曾在国防部所属的研究部门工作过,不仅在军方拥有一批朋友,而且对一些军事技术也比较熟悉。因此,他很快便为结型晶体管找到了用处,那就是用其制作迫击炮炮弹的近爆电子引信,以增强对地面部队的杀伤力。军方的需求刺激研究小组成员对结型晶体管进行了一系列改进。至1951年初,除响应频率外,结型晶体管的性能几乎在每一个方面都超出了点接触晶体管。1951年7月4日,贝尔为结型晶体管的发明举行新闻发布会时,新闻发言人这样评价道:这种只有豆粒大的器件是“绝对新颖的又一种类晶体管,与以前开发的晶体管相比,其拥有的各种性能都是空前的”。巴丁后来在诺贝尔奖颁奖会上也承认:“在大多数应用中,结型晶体管已经代替了点接触晶体管。”

  结型晶体管问世后,肖克莱并没有陶醉在取得重大突破的喜悦之中,仍以饱满的热情从事着他的晶体管研究。他将结型晶体管的原理与自己早期提出的场效应理论结合起来思考,在1952年正式提出了单极场效应晶体管的构想。不到一年,肖克莱的合作者戴西(G. C. Dacev)和洛斯(I. M. Ross)便将此一构想成功地化为现实,制作出了第一个结型场效应晶体管。

►结型场效应晶体管原理示意图

  结型晶体管和结型场效应晶体管相继问世后,肖克莱开始将注意力转向了晶体管生产技术的开发。当时,人们寄予厚望的结型晶体管的中间层无法进一步做薄,因此其响应频率只能达到10~20兆赫,严重地制约了晶体管的使用范围。为此,肖克莱及其部下于1953年底开始着手这一难题的解决。他们从锗晶体入手,借助于分区提纯法获得了超纯锗晶体,进而于1954年使用扩散法制作出了可放大170兆赫输入信号的锗晶体管。这种响应频率较之当时市场上流行的最好的晶体管的响应频率要高出10倍。自此,其所发明的结型晶体管的市场主导地位便完全确立了。

  1954年2月,肖克莱决定暂时离开贝尔,到其母校加州理工学院担任客座教授。当时,肖克莱的心境很不好。主要是因为在贝尔很难继续呆下去了。在1951年贝尔人事大调整中,不少过去的部下获得了升迁,一些人甚至还变成了他的领导,而他仍然只是研究小组负责人。贝尔管理层认为肖克莱虽是一位出色的科研带头人,但不适宜担任行政管理职务。因为其管理方式过于简单,很多人都不愿意与他共事。巴丁就是在忍无可忍的情况下辞职跑到伊利诺伊大学搞超导研究去的,布拉顿也平静地离开他转到了贝尔的其他部门。此外,还有一件事令肖克莱感到不悦,那就是在晶体管专利使用费分配问题上贝尔对他的贡献并没有给予足够的尊重。

  在加州理工学院执教四个月后,肖克莱发现这里并不尽如人意。于是,他于1954年7月接受军方的邀请,到华盛顿担任了国防部武器系统鉴定组副组长。最初,他认为这项工作颇有挑战性,干得兴致勃勃,但后来又觉得没有太大的意思。1955年7月,肖克莱辞去了国防部的工作,并决定不再回贝尔搞科研,而去“下海”创办高科技公司。

  在加州理工学院的老同学贝克曼(A. O. Beckman)的资助下,以及在斯坦福大学校长特曼(F. Terman)的鼓动下,肖克莱筹备一段时间后,于1956年2月在旧金山的海湾地区正式创办了肖克莱半导体实验室,并因此而被称作为硅谷的奠基人之一。

  凭着自己在电子工业界的威望,肖克莱很快便从美国各地招聘来了一批从事半导体研究开发的精英。是年6月,肖克莱指定年仅29岁的物理学家诺伊斯(R. Noyce)负责一个八人研发小组,这个小组中,除一人30岁出头外,其余七人都在30岁以下。这些人都是当时美国电子领域的拔尖人才,正处于创造力的高峰。如果不是肖克莱亲自招募,他们或许不会汇集到加州。

  正当肖克莱为新创办的公司忙得不亦乐乎的时候,传来了一个令人振奋的好消息,肖克莱同巴丁、布拉顿一起因发明了晶体管而荣列1956年诺贝尔物理学奖获奖者名单。这将肖克莱的人生推向了高潮。

  但是,从斯德哥尔摩领奖归来后,肖克莱的“家长制”作风越来越严重,导致员工与肖克莱之间的沟通越来越糟。1957年9月18日,肖克莱半导体实验室开发部门的诺伊斯、G.穆尔(G. E. Moore)等“八大金刚”集体辞职,在仙童(Fairchild)照相器材公司的资助下创办了仙童半导体公司。此举无疑使肖克莱的半导体实验室受到了重创。眼看着自己投资100万美元组建起来的半导体公司人才不断外流,亏损越来越严重,贝克曼意识到自己的这位老同学虽然是世界上最杰出的物理学家,但绝不是一位出色的商业管理者。因为他在公司里最为关心的是研究和开发,而不是市场需求;他为硅谷培养了一批出类拔萃的领导人,但却不能给自己公司的投资者带来商业利润。万般无奈之际,贝克曼于1960年4月将半导体实验室转让给了克利维特晶体公司(Clevite Transistor Company),肖克莱改任新公司的晶体管部顾问。

  在肖克莱商海失意之时,斯坦福大学校长特曼向他伸出了挽留之手,邀请他担任斯坦福大学首任波尼亚托夫(A.M. Poniatoff)工程科学讲座教授。1963年,肖克莱接受了特曼的邀请。至此,肖克莱的由科学家、发明家转变为企业家的梦想便彻底破灭了。

  在斯坦福大学,肖克莱的兴趣点不断扩散,一段时期里,曾以晶体管的发明为案例来研究科学家的创造力问题。这项工作可以说是他创业前的一项研究工作的继续。在担任国防部武器系统改进小组副组长期间,他曾写过一篇《研究型实验室个人产出变化率的统计学分析》。不过,肖克莱最终并没有将这项研究工作深入下去,以致他没能像普赖斯(D. Price)和加菲尔德(E. Garfield)一样成为1960年代科学计量学兴起的奠基人之一。此外,这一时期,肖克莱还写过数篇有关晶体管取得重大突破的非常有价值的科技史论文。

  20世纪60年代后期,肖克莱对遗传与智力之间的关系问题产生了浓厚的兴趣,并开始支持一种有着广泛争议的传统观念,即人种之间存在智力差别。他多次鼓动美国国家科学院资助这方面的研究。为此,他还与当时担任科学院院长的早年好友塞茨发生了一次激烈的冲突。进入70年代后,肖克莱对人种学和优生学越发着迷。他宣称黑人的智商要比白种人低20%,认为黑种人的高繁殖率妨碍了种族的进化,建议智力在某一个程度以下的人接受绝育。这种种族歧视的观点引起了人们的愤怒,弄得斯坦福大学黑人学生在校园里游行抗议,并火烧其模拟像。哈佛、耶鲁等大学也不得不拒绝他前去演讲。

  1974年9月,肖克莱从斯坦福大学退休。晚年的肖克莱仍然没有改变其争强好胜的性格。他不仅喜欢同人争辩,还喜欢航海和游泳,不时向自己的熟人提出挑战,弄得同事们都设法躲避他。日益孤独的肖克莱后来患了前列腺癌,不幸于1989年8月谢世,享年79岁。

  肖克莱一生获得了50项以上的专利,并发表了许多论文。除获诺贝尔物理学奖外,他还获得了美国物理学会的巴克莱(Buckley)奖、国家科学院的科姆斯托克(Comstock)奖,机械工程师协会的霍利(Holley)奖章等。此外,还于41岁时当选美国国家科学院院士,是当时获此殊荣的最年轻的科学家之一。1962年,他还担任了美国总统科学顾问委员会委员。

  1999年,美国《洛杉矶时报》评选的“本世纪经济领域50名最有影响力人物”中,肖克莱和当年离他而去的诺伊斯以及另一位集成电路发明人基尔比(J. S. Kilby)三人并列第一。这表明后人对肖克莱在晶体管的发明与应用方面的贡献给予了充分的肯定。史学家和美国电气与电子工程学会资深会员邦丢派迪阿(P. K. Bondyopdhyay)曾这样评价道:“正是结晶体管这个肖克莱在理论上革命性的发明带来了半导体革命,开启了硅时代”。

  肖克莱的一生跌宕多姿,给我们留下了很多值得思考的问题。

  (1)桀骜不驯的肖克莱如果不是被凯利这个伯乐慧眼识中,并被委任为固体物理研究组负责人,让其统率一批跨学科的资深研究人员从事半导体研究,贝尔有可能如此快速地发明晶体管吗?

  1947年12月,点接触晶体管发明之时,全权负责半导体放大器研发工作的肖克莱才37岁,巴丁39岁,布拉顿45岁。也就是说,核心研究人员都比肖克莱年纪大,但贝尔并没有论资排辈,并没有为研究小组安排一位德高望众的老科学家,譬如说安排在贝尔第一个获得诺贝尔奖的固体物理学家戴维孙(C.J. Davisson)来传、帮、带。研究表明,杰出科学家做出重大贡献的最佳年龄区在25~45岁之间,其最佳峰值年龄为37岁左右,50岁以上仍取得重大研究突破,并因此而获诺贝尔奖者非常少见。世界首个晶体管诞生于贝尔很大程度上要归功于凯利组建起了这么一支以肖克莱为首的年轻的科研突击队。肖克莱后来自己也说,如果不是凯利让他领衔负责晶体管的研发,估计点接触晶体管在贝尔至少要晚诞生一年。而要是真的晚一年诞生的话,晶体管的发明很有可能由美国当时的另一个半导体研究据点普渡大学(Purdue University)完成。

  此外,贝尔在开发晶体管方面所取得的成功与其坚持搞多学科交叉研究也有很大的关联。肖克莱所率的研究小组汇聚了一批千里马,他们当中既有理论专家,又有实验高手;既有物理学家,又有电路专家、材料专家。也就是说,研究团队不是按照传统的学科性质,而是按照任务需求组建的。这种任务导向型的人才搭配,为晶体管的发明提供了强有力的人力资源保障。

  (2)作为半导体研究小组负责人的肖克莱,如果在场效应放大器研究受阻时,无权自行决定将研究重点转向固体物理基础理论问题——表面态的研究,研究小组有可能发明点接触晶体管吗?

  肖克莱领导的半导体研究小组的主要任务是研制固体放大器,以替代电子管。最初,研究人员想依据肖克莱提出的空间场效应思想,用半导体材料制作一种场效应放大器,但实验受阻。在分析实验受阻的原因时,巴丁提出了表面态问题。表面态问题如果确实存在,不把它的机理弄清,就无法设计、制作肖克莱的场效应放大器。因此,巴丁等人认为展开表面态研究是必要的。在组长肖克莱的支持下,研究小组开始转向表面态是否存在,以及倘若存在如何调控等问题的研究。此项基础理论研究,花费了研究小组一年多的时间。半导体研究小组自1945年7月成立到1947年底发明点接触晶体管,两年半的时间里共花去100多万美元的科研经费,其中相当大的数额花在表面态问题的研究上了。

  表面态问题是巴丁调到贝尔后才提出来的,也即研究小组当初并没有打算要研究这一问题。如果贝尔在科研经费等问题上管得太死,不给肖克莱足够的研究自由度,那么我们很难想象会有后面的晶体管的发明。事前提出研究计划和经费预算进行项目申报是必要的,但是,科研过程中存在很多不确定性,因此仅以项目申报书中所列条项作为科研的最终验收依据,特别是经费的使用依据存在很多弊端。科研管理不能像企业管理那样,每一项计划都要求在规定的条件下(主要是时间和经费)按质按量完成。科研,特别是探索性很强的基础研究无法达到当初的预期目标根本不足为怪。

  (3)如果肖克莱只拥有一支搭配合理的研究队伍和充裕的研究经费以及足够大的研究自由,但所需的试验材料、实验设备受制于人,不容易入手,研究小组的创新是否具有可持续性?

  二战期间,人们在研制探测飞机用的高频雷达时发现,用硅晶体或锗晶体制成的检波器比天然矿石检波器的性能更好。在美国军方的推动下,战时硅晶体和锗晶体的提纯以及掺杂技术获得了快速发展。由于贝尔的母公司AT&T所属西部电器公司是美国军方指定的负责这些晶体检波器生产的厂家,故负责检波器批量生产技术开发的贝尔陆续掌握了相关材料的提纯和掺杂技术。但是,这些雷达用半导体材料仍然很难满足实验室理论研究的需要,于是贝尔的科研人员又研制出了气相沉积法、火成法等加工单晶硅和单晶锗的方法,从而满足了肖克莱等人对半导体试验材料提出的要求。如果研究所需的超高纯度的单晶硅和单晶锗不能及时入手,研究小组的研究活动将成无米之炊。结型晶体管的构思提出之后两年多才获得实验检证,其主要原因就是研究小组当时根本制作不出具有两个PN结、中间层很薄的类似三明治结构的实验样品。贝尔科研人员最终开发出温度和位移都极其精密的拉晶机之后才用双掺杂技术通过生长的方式成功制作出实验样品。可以说,晶体管的发明很大程度上得益于所需半导体试验材料和实验设备的及时研制与获取。

  1950年代初日本研究机构曾试图通过模仿方式搞出晶体管,但是频频失败,个中原因就是其工业基础薄弱,根本就生产不出超高纯度的半导体材料和相关实验仪器设备。一个国家如果连实验所需的滴定管、氯化钠、高纯材料都要依赖进口,其基础研究和应用开发想上台阶,关键核心技术想取得突破实际上是很困难的。

  (4)在顺境中长大、出身于名门大学的肖克莱如果没有能够养成胜不骄、败不馁的良好品性,在点接触晶体管问世之后,能够很快地发明更为实用的结型晶体管以及提出体形场效应晶体管的构想吗?

  点接触晶体管是在研制空间场效应放大器过程中偶然发明的。虽然它的诞生并不意味着肖克莱提出的场效应放大器思想的失败,但它毕竟是世界上首个半导体放大器,具有里程碑意义。作为研究小组负责人肖克莱没有能够成为这个事件的主角,免不了会产生挫折感。但他并没有因此而一蹶不振,相反他在反思与发明失之交臂的深层原因之后,更加发奋努力,连元旦假日都不休息,以致在点接触晶体管问世后一个月便针对其缺陷提出了崭新的结型晶体管的构想,此后,他又再接再厉,创下了在15个月里获得5项相关发明专利的佳绩。功夫不负有心人,1950年4月研究小组终于成功地试制出结型晶体管,并在此后迅速抢占了商业化应用的先机。用事实证明了自己的实力之后,肖克莱并没有陶醉在成功的喜悦之中,而是进一步将这种三明治结构的晶体管与自己最初提出的场效应思想联系起来思考,终于又提出了结型场效应晶体管的构想,此构想后来又被实验证实。

  这个例子告诉我们,非智力因素对科学家创造力的影响不容低估。一些科研人员之所以碌碌无为,或取得初步成功后便再也做不出像样的成绩,并非完全输在智力、教育方面,而是心理素质和道德修养不够高,容易被帽子、票子和位子拖累。

  (5)肖克莱是半导体研究小组负责人,却没有被列人点接触晶体管的发明人名单;他获得了许多发明专利,但贝尔并未准许他获得更多份额的专利使用费。这反映出来的是一种什么样的创新文化?

  在我们看来,点接触晶体管的发明不能没有晶体管研发项目负责人肖克莱的一份功劳。而在美国,肖克莱虽然主导了晶体管项目的研究,也亲自参与了多次实验,但因没有参与关键性的实验,其早先的构想与呈现出来的首个晶体管也没有直接的关联,结果仍然被毫不留情地排除在点接触晶体管发明者名单之外。显然,美国的创新文化不是一味地鼓励人们去争经费、争位子,而是鼓励人们积极地参与实验研究,进行思想理论创新。一个科研人员不论他多么有权、有钱,只要他没有实际参与研究、实验,也没有为科研工作提供有价值的思想,那么他就没有资格享有该项成果的署名权。

  再者,在贝尔从事科研过程中形成的诸多发明皆属于职务发明,因为在大科学时代不使用科研机构的设备仪器,不由科研机构提供经费和薪资,一些发明根本就搞不出来。既然是职务发明,那么专利使用费的分配就不能由个人主宰。贝尔在专利使用费分配额问题上明知有可能招致肖克莱的不快,甚至有可能诱发他出走,仍然不愿意无原则地迁就这名杰出的学术带头人。综观贝尔处理肖克莱的专利问题的方式,我们可以感受到一种讲究实事求是,讲究实际贡献,反对争名夺利,反对浮躁激进的创新文化的存在。

  (6)肖克莱当选为美国国家科学院最年轻的院士之一后,仍然只能做项目研究小组组长,而没有被委以更高的科研管理职务,这算不算是一种人才打压?

  历史上,像肖克莱这样多次利用新的理论原理预测出电子器件的发展走向,并在不久后组织研制出预想实物的物理学家并不多见。恐怕谁都不会否认肖克莱的科研预见能力,但是,他在科研过程中表现出来的自我中心主义则令人叹息。为了验证自己的设想,他会让下属中止各自的研究而去帮他进行实验。而对别人的研究兴趣,他难得给予足够的尊重,以致像巴丁这样后来因从事超导理论研究再次获得诺贝尔奖的理论物理学家都不惜辞职离他而去,像布拉顿这样的优秀实验物理学家和长期的合作伙伴最终都不愿意与其共事。

  在大科学时代,科研工作关键不在于是否是由科研能力强的内行来管理,而在于领导者是否善于听取下属的意见,能否博采众长,充分调动各自的积极性。科研能力强并不意味着管理能力也强。贝尔高层意识到了这些,所以才不惜重用肖克莱的多名部下,也不肯将科研能力突出的肖克莱提拔到重要的领导岗位上来。后来肖克莱领导多名科技精英在加州创业失败,可以说在某种程度上佐证了贝尔高层当初决定的正确性。

  (7)肖克莱作为世界上最杰出的物理学家之一,创办公司时也曾吸引来了像诺伊斯、穆尔这样的科技精英前来相助,为什么科研力量如此强大的高科技公司最终还是难逃厄运呢?

  企业经营管理与科研院所的经营管理不同,它不仅涉及到技术创新,而且还涉及市场创新和组织创新。企业技术创新的实质在于把技术这种生产要素引入生产体系,实现技术要素与其他生产要素的新组合,使技术发明得到商业化应用。导致企业利润增长的是技术创新,而不是单纯的技术发明,更不是科学发现。企业的科技优势并不必然的导致经济优势。因此,企业的研发必须考虑市场的需求,不能在研发过程中一味地强调技术的先进性。脱离生产实际和市场需求的研发不可能导致创新的成功。

  肖克莱作为一名长期在贝尔从事研发工作的物理学家,勇于到加州创办高科技公司,精神可嘉。但他对企业技术创新的理解是不充分的。由于他过于重视技术研发,致使研发费用开支濒临失控。这样当然会对公司的生产造成冲击。生产不出有市场竞争力的产品的结果是,公司的凝聚力不断减弱。在技术开发方面,肖克莱低估了实验室里的技术和工业化生产技术之间的差异。在贝尔的超高技术环境下,一些样品的试制根本不成问题,但是肖克莱要在自己的处于初创时期的公司里大批量生产,无论他聘来的技术人员多么优秀,多么努力,也无法做得到。加上肖克莱好自以为是,听不进部下的建言,最终将公司引入歧途也就不足为怪了。

  (8)作为诺贝尔奖获得者的肖克莱,如果不是在美国,而是在东方,提出一个自己甚感兴趣的课题立项建议,它有可能被自己的同事好友们无情地拒绝吗?

  创办高科技公司失败后的肖克莱,在应邀担任斯坦福大学教授期间,对人种与智能之间的关系问题产生了浓厚的兴趣,并形成了黑人的智力比白人的低、遗传对智力的影响比环境的要大的看法。尽管他多次要求美国国家科学院立项资助这方面的研究,但是他的建议始终没有获得通过。肖克莱作为美国科学院的院士,科学院院长塞茨的多年好友,连这么一个课题立项要求都无法获得通过。这在某种程度上印证了美国学术界同行评议的严肃性和权威性。的确,肖克莱在生物学方面没有什么专长,但他毕竟是诺贝尔奖获得者,既然他认为人种与智力的关系是一个值得深入研究的学术问题,那么尊重他的意见,或将其建议作些修改,设置一个这方面的研究课题无伤大雅。但是,美国学术界却丝毫情面都不讲,弄得肖克莱颇为难堪。

  由此可以看出,美国的学术生态和东方的存在不少差异。在美国,一个权威超出自己的学术研究范围说事不会被认为是权威性的意见。而在东方,这种意识比较薄弱,盲目崇拜权威的现象相当普遍。在这种文化氛围中,若院士不仅是一个荣誉性的称号,还拥有课题立项建议和评审等实权,那么他对端正学风所负有的社会责任将十分巨大。

  肖克莱发明结型晶体管引发了半导体革命,揭开了硅时代的序幕。这项关键核心技术的攻克无疑是多种因素共同作用的结果。但从上述考察中可以看出,攻克关键核心技术至少有必要处理好新秀与元老、远期与近期、个人与团体三个方面的关系。

  (1)新秀与元老关系。肖克莱发明结型晶体管时并没有院士称号,也没有其他任何帽子。但是贝尔实验室的技术负责人凯利却将研制晶体管的重任全权托付给了这样的一位刚过而立之年的固体物理学界的新秀,而没有交给拥有众多耀眼头衔的资深专家。实践证明,正是因为凯利用人不唯帽子,贝尔才得以攻克晶体管这项关键核心技术。像足球这样高度依赖经验的行业,也许花重金聘用一位资深教练是必要的。但是科学研究和技术开发需要的是不墨守成规,因此经验虽然重要,但它并非决定性因素,是故在科研领域没有必要像足球领域那样高薪聘请经验丰富的权威专家来带队指导。由于攻克关键核心技术需要走前人从未走过的路,因此资深院士、诺贝尔奖得主并不一定比科研新秀拥有更多的优势,也正因为如此,资深院士、诺贝尔奖得主很少有再创辉煌、再摘桂冠的。相反,将资源投放给像肖克莱这样的青年才俊却有可能实现颠覆性技术创新。

  (2)长远与近期关系。如果将贝尔成立固体物理研究组的时间点——1945年7月作为贝尔正式启动晶体管项目的起点,将首个点接触晶体管诞生的时间点——1947年12月作为终点,那么晶体管项目只花了两年半的时间就开花结果了。即使将宣布结型晶体管问世的时间点——1951年7月作为终点,晶体管项目也只花了六年的时间就大功告成。不要说两年半,即使是六年,对攻克晶体管这样的关键核心技术来讲都不算长。问题是,早在二战爆发前,凯利就支持肖克莱启动了“固体放大器”的研究。如果将1938年肖克莱加入新成立的独立研究小组作为晶体管项目的起点,那么贝尔的晶体管研制经历了十个年头才初见成效。很明显,攻克关键核心技术和实现颠覆性技术创新需要有长期的积淀,不能指望三、五年内就大功告成。如果科研人员耐不住寂寞,一心想着早出成果、快出成果、出大成果,不愿意做长期规划,那么他很难在短期内实质性地取得重大研究突破。因此,科研管理部门不仅要宽容失败,而且还要有容忍科研人员长期劳而无功的雅量。

  (3)个人与团体关系。肖克莱无疑是组织实施晶体管研究的领军人物,而且是一名固体物理专家。如果只是开展理论研究,依靠一名造诣很深的专才,就有可能在理论前沿取得重大突破。问题是理论研究和应用研究是两回事。理论研究呼唤的是精通某一领域的专才,而应用研究呼唤的却是通晓多个领域的通才。由于一个人的知识面是有限的,因此搞应用研究,尤其是开展关键核心技术的攻关,需要构建一个紧密合作型的知识和技能能够实行互补的跨学科研究团队。由于肖克莱率领的晶体管研制团队是按照任务需求组建的,故得以汇聚一批学科背景各异的专家,他们当中既有理论专家,又有实验高手;既有物理专家,又有材料专家。而且这些专家的工作场域都在贝尔实验室,随时都可以聚在一起切磋讨论。由于不仅打破了学科壁垒,而且还可以真正地开展跨学科研究,因此贝尔的晶体管研究团队能够有效克服大学中常见的那种多学科分散研究的诸多弊端,进而得以率先实现晶体管这项颠覆性技术创新。这意味着,开展关键核心技术攻关,仅靠少数几位明星科学家的分散努力是不行的,必须将多个方面的研究力量有效地整合起来才有可能取得成功!

  本文系根据周程发表于《科学学研究》第26卷第2期上的“晶体管发明者肖克莱引发的科技管理问题思考”一文改写而成。

  周程

  北京大学哲学系科技史与科技哲学教授、博导

  北京大学医学人文研究院院长、医学部公共教学部主任

  《知识分子》是由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,致力于关注科学、人文、思想

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责任编辑:于达维 | 版面编辑:王影
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