核心技術何來？矽谷奠基人之一肖克萊的創新實踐

知識 07-18

肖克萊（W. B. Shockley，1910-1989）

作者按：

中興事件之後，舉國上下熱議中國的戰略性新興產業如何才能不被「掐脖子」。越來越多的人士意識到必須切實提高我國的關鍵核心技術創新能力。冰凍三尺非一日之寒，我國科技發展水平，特別是關鍵核心技術創新能力之所以同國際先進水平相比還有很大差距，很大程度上是因為我們的科技創新管理的理念和方式還比較落後。因此，深入剖析發達國家的一些關鍵核心技術開發取得突破的典型案例，譬如晶體管發明案例，無疑有助於我們加深對科技創新管理應然性的理解。

撰文 | 周程（北京大學科學技術史教授）

責編 | 程莉

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

晶體管被認為是20世紀最重大的發明之一，引發了一場聲勢浩大的半導體革命。今天，「關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的。只有把關鍵核心技術掌握在自己手中，才能從根本上保障國家經濟安全、國防安全和其他安全」已成為社會共識，重新審視20世紀中葉美國貝爾電話實驗室（1970年代更名為貝爾實驗室，以下簡稱貝爾）啟動晶體管研發的過程，並從中汲取有益的經驗，對增強我國的關鍵核心技術的創新能力無疑大有裨益。

接下來，筆者擬以貝爾的晶體管研發項目負責人、諾貝爾物理學獎獲得者肖克萊（W. B. Shockley，亦譯肖克利）為線索，著重考察肖克萊在點接觸晶體管發明過程中所發揮的作用，以及他的結型晶體管和結型場效應晶體管的發明經緯，然後再結合核心技術創新管理中的一些問題進行若干粗淺的討論。對肖克萊發明結型晶體管等史實已經非常熟悉或者興趣不濃的讀者可以直接從第五節的「分析討論」開頭讀起。

1.加盟貝爾電話實驗室之初

肖克萊於1910年2月13日生於英國倫敦，父母都是美國人，父親畢業於美國麻省理工學院，曾以採礦工程師等身份在包括中國在內的多個國家工作過，後被派駐英國；母親畢業於斯坦福大學，27歲時同年長自己24歲的丈夫結婚，婚後兩年生下肖克萊。1913年4月肖克萊一家遷回美國舊金山。作為獨生子，肖克萊童年時接受過良好的啟蒙教育。讀初中期間，肖克萊深受好友的父親——斯坦福大學物理系教授、X射線領域專家羅斯（P. Ross）的影響，並被其收為義子。1932年，肖克萊在加州理工學院物理系獲得學士學位；此後，轉入他父親的母校麻省理工學院主攻固體物理學，並於1936年獲得博士學位；同年6月，肖克萊接受貝爾基礎研究部主任凱利（M. J. Kelly）的邀請加盟貝爾。

凱利1936年出任貝爾基礎研究部主任前，曾任該部電子管部門負責人。由於貝爾的母公司美國電話電報公司（AT&T）當時使用的電話交換機主要是電子管式的，而電子管卻存在著啟動需要預熱時間，以及能耗大、散熱難和壽命短等不足。儘管如此，科研人員，尤其是擁有眾多電子管專利的歐洲公司的科研人員仍然希望沿著原有技術軌道——通過對電子管加以改進來解決這些難題。但凱利卻認為有必要另闢蹊徑，從固體物理方面來探索一下替代電子管的出路。基於以量子力學為基礎的固體物理深具研究價值的判斷，貝爾的基礎研究部決定充實、加強固體物理方面的研究力量。

上任伊始的凱利除了組織室內有關科研人員學習、進修新興的量子力學知識外，還把目光轉向了正在麻省理工學院攻讀固體物理學博士學位的肖克萊。他親赴麻省理工學院當面向肖克萊發出了加盟貝爾的邀請，並在肖克萊報到後不久，向其提出將目光放遠一點，爭取在開發電子管替代產品方面有所作為的希望。

肖克萊加入貝爾初期，被安排在電子管部門工作。1938年，凱利在重組物理學研究部時，將肖克萊編入了一個新成立的獨立研究小組，讓其盡量少受知識結構老化的權威的干擾，可以集中精力從事固體物理的基礎研究，並賦予其充分的研究自主權。這種幾乎不受老體制約束的寬鬆的研究環境，激發了肖克萊大膽嘗試的熱情，並促使其於1939年12月底認識到用半導體材料取代電子管製作放大器在原理上是可行的。不過，其後不久，德軍開始攻擊法、英，二戰的規模不斷擴大。為未雨綢繆，美國科研人員不得不將他們正在從事的常規性研究置於一旁，而把研究方向轉向軍事技術，貝爾當然也不例外。這樣，肖克萊等人的半導體放大器的研究也就被迫暫時中斷了。

1940年8月，因受德軍的空中威脅，國內的科學研究難以為繼，故英國首相丘吉爾（W. Churchill）決定派遣著名物理學家蒂澤德（H. Tizard）率領一個特使團訪美，啟動英、美雷達技術合作研究項目。受其影響，肖克萊於1940年底離開貝爾總部，來到惠帕尼實驗室，開始從事雷達用磁控管和晶體測距元件的研究；1942年5月，他又被抽調到美國海軍部所屬的反潛艇作戰研究小組擔任技術指導；此後，又於1944年被調到美國空軍基地負責為新組建的B-29轟炸機作戰小組提供技術培訓，以使他們能夠熟練使用微波瞄準儀。1945年1月，肖克萊終於結束了在國防部的戰時研究工作，重返貝爾，來到凱利的麾下。

凱利從戰時所涉及的軍事研究，尤其是從微波研究以及雷達系統的開發中認識到，戰後基於微波理論的通訊技術極有可能取得重大突破，而固體物理將在其中扮演一個非常關鍵性的角色。因此，貝爾有必要迅速恢復因戰爭而中斷的固體物理方面的研究。他認為才思敏捷、精力旺盛的肖克萊是負責這個關鍵性研究項目的最佳人選。

1945年3月下旬，凱利帶著兩位協助其制定戰後研究計劃的助手肖克萊及其同學菲斯克（J. Fisk）驅車前去拜訪貝爾實驗室的同事、超短波無線電通訊專家、P-N結光生伏打效應的發現者奧爾（R. Ohl）。會面時，奧爾出示了一隻無線電接收機，該接收機使用點接觸晶體檢波器作為信號放大器。儘管這种放大器非常粗糙，且性能極不穩定，但奧爾用其製作成無線電接收機，仍是一件了不起的創舉。凱利當時希望肖克萊發揮其固體物理學理論專長給奧爾的放大器作出一個合理的解釋。

受奧爾演示實驗的影響，肖克萊開始清理戰前的研究思路，重新思考固體放大器的研製問題。他認為，戰時其好友塞茨（F. Seitz）等人在參與開發雷達用晶體檢波器時已經掌握了製備超高純硅晶體的方法，並使用摻雜技術製造出了具有較好導電性能的P型半導體和N型半導體，這應該成為固體放大器的新的研究起點。

經過一番努力之後，肖克萊形成了利用空間場效應設計一種全新的硅半導體放大器的想法。之後他便開始嘗試用實驗來檢證自己的設想。然而，無論怎麼努力，當初的設想都無法獲得確證。肖克萊感到困惑，但又無法做出合理的解釋，於是不得不暫時轉去研究其他問題。

肖克萊的場效應放大器構想示意圖

2.點接觸晶體管的誕生

1945年7月，升任貝爾執行副總裁不久的凱利宣布，重新組建物理部門下屬研究機構，由肖克萊和化學家摩爾根（S. Morgam）領導固體物理組，該組下設半導體和冶金兩個研究小組，分別負責器件和材料的研究開發，並明確由肖克萊兼任半導體研究小組組長。研究小組成立後不久，肖克萊在貝爾的一些夥伴——實驗物理學家布拉頓（W. H. Brattain）和皮爾遜（G. L. Pearson）、物理化學家吉布尼（R. Gibney）和電路專家H.穆爾（H. Moore）等人便先後加盟半導體研究小組。在肖克萊的推薦下，同年10月凱利又以高薪為半導體研究小組引進了精通固體物理的傑出理論物理學家J.巴丁（J. Bardeen）。

巴丁加盟貝爾後不久，肖克萊便帶著困惑同他談起了自己的「場效應放大器」實驗。巴丁對上司肖克萊早期的空間場效應思想未得到確證的問題頗感興趣，經過一段時間的苦思冥想後，提出了「表面態理論」。早年曾從事過表面態問題研究的肖克萊鼓勵巴丁先就表面態問題進行深入探索。於是，此後的一段時期，半導體研究小組將研究重點由場效應放大器的研製轉向了半導體基礎理論問題——表面態的研究。因為表面態問題不弄清楚，場效應放大器的實驗設計就無法入手。

巴丁的表面態解釋示意圖

經過一年多反反覆復的實驗，半導體研究小組的表面態研究取得了重大進展。1947年9月，研究小組確認表面態效應確實存在。進一步研究後發現，在電極板與硅晶體表面之間注入諸如水之類的含有正負離子的液體，加電壓後會使表面態效應獲得增強或減弱。表面態效應長期以來一直是導致場效應放大器實驗失敗的主要原因，其作用機理解明之後，設計、試製半導體放大器的一個重大障礙便被排除了。

1947年11月21日，巴丁向布拉頓提出了著手進行半導體放大器研製實驗的建議。二人當天便進行了實驗，並在輸出迴路中觀測到了微弱的放大電流信號。實驗初步達到了預期效果，布拉頓和巴丁激動不已，當晚就將這個好消息打電話告訴了肖克萊。肖克萊此時正忙於處理固體物理學中其他領域的一些學術問題，因為他不僅是半導體研究小組組長，而且還是整個固體物理組的負責人。當他得知布拉頓和巴丁的半導體電流放大試驗初獲成功的消息後，非常興奮。在其後小組討論會上，肖克萊對接下來的實驗提了一些建議，但他並沒有過深地介入相關實驗。

巴丁等人11月21日的實驗原理圖

接下來的實驗雖然又取得了一些進展，但也遇到了一些難題。主要是他們的放大裝置幾乎沒有電壓增益以及只能在不超過10赫的超低頻範圍內工作，而實用放大器必須能夠放大數千赫的輸入信號。1947年12月8日，肖克萊與巴丁、布拉頓等人開會就實驗中所遇問題的解決方案進行了討論。巴丁提議用耐高反向電壓的鍺晶體取代硅晶體試一試。巴丁與布拉頓使用鍺晶體進行數次實驗後發現，放大器的功放係數雖有一定幅度的提升，但響應頻率並沒有獲得改善。布拉頓認為，這也許是因為電解質的響應頻率具有滯後性之故。因此，接下來需要做的就是如何擺脫電解質的滯後影響了。

1947年12月11日，吉布尼提供了一個表面生成了氧化層（旨在替代電解質）的N型鍺片，吉布尼在氧化層上面沉積了5個小金粒。布拉頓在金粒上面打了一個小洞,用鎢絲穿過小洞和氧化層插入鍺晶體作為一個電極,希望通過改變金粒塊和鍺晶體之間的電壓以改變鎢絲電極與鍺晶體之間的導電率。布拉頓在做實驗時,發現金粒與鍺晶體之間的電阻很小,即氧化層並沒有起到絕緣作用。儘管如此，布拉頓還是決定做幾組實驗試一試。在一次實驗中，布拉頓非常偶然地在鎢絲上加了負電壓,在金粒上加了正電壓,沒有料到在輸出端出現了和輸入端變化相反的信號。初步測試的結果是:電壓放大倍數為2，上限頻率可達10千赫。這意味著無需在鍺晶體表面特意製作一層氧化膜，簡單地讓金粒和鍺晶體表面直接接觸就可獲得良好的響應頻率。

理論物理學家巴丁敏銳地意識到金粒與鍺晶體的接觸界面上已經出現了一種新的，與加電解質完全不同的物理現象。據此，巴丁重新設計了一組實驗，實驗的關鍵是儘可能地使鍺晶體表面上的鎢絲觸點與金屬電極靠得近一點。巴丁推算後指出，兩者之間的距離應達到50微米的數量級。這對實驗物理學家布拉頓來講不是難事。他和技師很快地製作出了一套符合巴丁要求的實驗裝置，並於12月16日下午，與巴丁一起進行了改進後的首次實驗。在這次實驗中，他們獲得了1.3倍的輸出功率增益和15倍的輸出電壓增益。因此，有學者主張應該將這一天確定為晶體管的發明日。

最早的點接觸半導體放大器剖面示意圖

一周後的12月23日，肖克萊領導的半導體研究小組使用含有新發明的固體放大器的實驗裝置為貝爾的主管領導演示了音頻放大實驗。這是一次沒有使用電子管的音頻放大實驗。實驗一如人們所期待的那樣獲得了成功。後來，研究小組將這種固體放大器命名為「transistor」，中文譯作「晶體管」。由於這種晶體管主要由兩根金屬絲與半導體進行點接觸而構成，故被稱作為雙極點接觸晶體管。

全球第一個點接觸型晶體管

不過，點接觸晶體管問世之初，發明者們並沒有立即公開相關信息。因為他們需要把所發明的晶體管的工作原理弄清楚，特別是要把晶體中的載流子究竟是如何流動的問題解釋清楚；而且，申請專利和通報軍方也需要時間。

1948年6月17日，貝爾電話實驗室的專利代理人完成了點接觸型晶體管的專利申報手續。6月23日，貝爾又向美國軍方代表展示了其所發明的晶體管演示裝置，並最終獲准對外公開。與此同時，肖克萊和皮爾遜，巴丁和布拉頓分別為《物理評論》雜誌合作撰寫了一組介紹晶體管及其工作原理的短文。各項準備工作做好之後，貝爾6月30日在總部大樓內召開了記者招待會，公開了全球第一個晶體管問世的消息。

3.多項晶體管技術的發明

點接觸晶體管的發明是半導體研究小組送給貝爾的最豐盛的聖誕禮物，作為研究小組組長，肖克萊在為之感到高興之時，也為自己未能成為這項突破性研究工作的主角而惱怒不已。更令他難堪的是他竟然不能被列入點接觸晶體管專利發明人名單。其原因主要有兩個：一是儘管他是半導體研究小組的負責人，但他並沒有直接參与有關點接觸晶體管發明的後期關鍵性實驗；二是早在20年前就已有人提出了內容與肖克萊的場效應思想相近的專利申請，並於1930年獲得了批准，故不能再將場效應思想作為專利申請書的基本內容。肖克萊為此感到沮喪，但他並沒有因此而氣餒。在此後的一段時間裡，除半導體之外，肖克萊幾乎別無所思，甚至是新年夜都不例外。

經過一段時間的思考之後，肖克萊於1948年元月23日想出了在半導體中加一個調節閥的方法。也就是，設計一種類似於三明治結構的晶體管，這種晶體管最外兩層使用性質相同的半導體材料，中間夾層使用性質完全相反的半導體材料，三根導線分別與各層相連。由於這個中間薄層的功能與自來水管道中的閥門相似，故肖克萊把這種器件稱作為「半導體閥」。這種「半導體閥」的一個明顯優點是，三根導線和半導體層都採用結連接。因此，可克服點接觸晶體管所具有的對震動過於敏感，性能不穩定等缺點。

N-P-N結型晶體管原理示意圖

三明治結構的結型晶體管的構想提出來了，接下來擺在肖克萊面前的問題就是，如何從理論上確認其是可行的，以及如何用實驗驗證其可行性？

P-N結的存在早在1940年前後就已被貝爾的斯卡夫（J.H. Scaff）等人發現。但由於戰時高純度的硅和鍺不易入手，而且即使有也因摻入雜質不易控制而很難製成合適的P-N結，故對P-N結的研究進展不大。戰後，貝爾已經能夠使用蒸發的方式製作鍺P-N結，但這種P-N結蒸發層中的電子和空穴的遷移率太低。為解決這一難題，接替吉布尼的空缺加入半導體研究小組的物理化學家斯帕克斯（M. Sparks）將溶化了的P型鍺晶體液滴滴到熾熱的N型鍺晶片上讓其融合後形成了P-N結。對這種P-N結進行實驗研究後，斯帕克斯於1949年4月確認可以使用P-N結實現功率放大。

受這些研究的鼓舞，肖克萊加快了對P-N結以及基於P-N結的晶體管的研究進程，並於1949年7月分別在《物理評論》和《貝爾系統技術雜誌》上發表了題為《流經P-N結的電流》和《半導體的P-N結理論及P-N結晶體管》的論文。這篇論文後來成了半導體研究領域中最經典的權威論文之一。

儘管理論研究表明肖克萊的三明治結構的結型晶體管具有可行性，但是實際製作這種晶體管卻遇到了很多困難。經過物理化學家蒂爾（G. Teal）等人的艱苦努力，1950年初，總算用單晶生長技術直接從熔晶中製作出P-N結。其後，蒂爾與斯帕克斯緊密合作，終於於1950年4月中旬藉助拉晶機，使用雙摻雜技術，製成了第一隻N-P-N型晶體管。經檢測，這隻晶體管具有信號放大功能，但它的響應頻率遠低於點接觸晶體管的工作頻率。進一步分析後得知，問題出在中間層太厚。可是將中間層做薄後，導線又很難焊接上去。儘管如此，肖克萊仍為這一重大研究進展的取得而感到十分的高興。

用單晶生長法製備P-N結示意圖

結型晶體管問世後不久，朝鮮戰爭便爆發了。肖克萊二戰期間曾在國防部所屬的研究部門工作過，不僅在軍方擁有一批朋友，而且對一些軍事技術也比較熟悉。因此，他很快便為結型晶體管找到了用處，那就是用其製作迫擊炮炮彈的近爆電子引信，以增強對地面部隊的殺傷力。軍方的需求刺激研究小組成員對結型晶體管進行了一系列改進。至1951年初，除響應頻率外，結型晶體管的性能幾乎在每一個方面都超出了點接觸晶體管。1951年7月4日，貝爾為結型晶體管的發明舉行新聞發布會時，新聞發言人這樣評價道：這種只有豆粒大的器件是「絕對新穎的又一種類晶體管，與以前開發的晶體管相比，其擁有的各種性能都是空前的」。巴丁後來在諾貝爾獎頒獎會上也承認：「在大多數應用中，結型晶體管已經代替了點接觸晶體管。」

結型晶體管問世後，肖克萊並沒有陶醉在取得重大突破的喜悅之中，仍以飽滿的熱情從事著他的晶體管研究。他將結型晶體管的原理與自己早期提出的場效應理論結合起來思考，在1952年正式提出了單極場效應晶體管的構想。不到一年，肖克萊的合作者戴西（G. C. Dacev）和洛斯（I. M. Ross）便將此一構想成功地化為現實，製作出了第一個結型場效應晶體管。

結型場效應晶體管原理示意圖

結型晶體管和結型場效應晶體管相繼問世後，肖克萊開始將注意力轉向了晶體管生產技術的開發。當時，人們寄予厚望的結型晶體管的中間層無法進一步做薄，因此其響應頻率只能達到10~20兆赫，嚴重地制約了晶體管的使用範圍。為此，肖克萊及其部下於1953年底開始著手這一難題的解決。他們從鍺晶體入手，藉助於分區提純法獲得了超純鍺晶體，進而於1954年使用擴散法製作出了可放大170兆赫輸入信號的鍺晶體管。這種響應頻率較之當時市場上流行的最好的晶體管的響應頻率要高出10倍。自此，其所發明的結型晶體管的市場主導地位便完全確立了。

4.離開貝爾電話實驗室之後

1954年2月，肖克萊決定暫時離開貝爾，到其母校加州理工學院擔任客座教授。當時，肖克萊的心境很不好。主要是因為在貝爾很難繼續呆下去了。在1951年貝爾人事大調整中，不少過去的部下獲得了升遷，一些人甚至還變成了他的領導，而他仍然只是研究小組負責人。貝爾管理層認為肖克萊雖是一位出色的科研帶頭人，但不適宜擔任行政管理職務。因為其管理方式過於簡單，很多人都不願意與他共事。巴丁就是在忍無可忍的情況下辭職跑到伊利諾伊大學搞超導研究去的，布拉頓也平靜地離開他轉到了貝爾的其他部門。此外，還有一件事令肖克萊感到不悅，那就是在晶體管專利使用費分配問題上貝爾對他的貢獻並沒有給予足夠的尊重。

在加州理工學院執教四個月後，肖克萊發現這裡並不盡如人意。於是，他於1954年7月接受軍方的邀請，到華盛頓擔任了國防部武器系統鑒定組副組長。最初，他認為這項工作頗有挑戰性，幹得興緻勃勃，但後來又覺得沒有太大的意思。1955年7月，肖克萊辭去了國防部的工作，並決定不再回貝爾搞科研，而去「下海」創辦高科技公司。

在加州理工學院的老同學貝克曼（A. O. Beckman）的資助下，以及在斯坦福大學校長特曼（F. Terman）的鼓動下，肖克萊籌備一段時間後，於1956年2月在舊金山的海灣地區正式創辦了肖克萊半導體實驗室，並因此而被稱作為矽谷的奠基人之一。

憑著自己在電子工業界的威望，肖克萊很快便從美國各地招聘來了一批從事半導體研究開發的精英。是年6月，肖克萊指定年僅29歲的物理學家諾伊斯（R. Noyce）負責一個八人研發小組，這個小組中，除一人30歲出頭外，其餘七人都在30歲以下。這些人都是當時美國電子領域的拔尖人才，正處於創造力的高峰。如果不是肖克萊親自招募，他們或許不會彙集到加州。

正當肖克萊為新創辦的公司忙得不亦樂乎的時候，傳來了一個令人振奮的好消息，肖克萊同巴丁、布拉頓一起因發明了晶體管而榮列1956年諾貝爾物理學獎獲獎者名單。這將肖克萊的人生推向了高潮。

但是，從斯德哥爾摩領獎歸來後，肖克萊的「家長制」作風越來越嚴重，導致員工與肖克萊之間的溝通越來越糟。1957年9月18日，肖克萊半導體實驗室開發部門的諾伊斯、G.穆爾（G. E. Moore）等「八大金剛」集體辭職，在仙童（Fairchild）照相器材公司的資助下創辦了仙童半導體公司。此舉無疑使肖克萊的半導體實驗室受到了重創。眼看著自己投資100萬美元組建起來的半導體公司人才不斷外流，虧損越來越嚴重，貝克曼意識到自己的這位老同學雖然是世界上最傑出的物理學家，但絕不是一位出色的商業管理者。因為他在公司里最為關心的是研究和開發，而不是市場需求；他為矽谷培養了一批出類拔萃的領導人，但卻不能給自己公司的投資者帶來商業利潤。萬般無奈之際，貝克曼於1960年4月將半導體實驗室轉讓給了克利維特晶體公司（Clevite Transistor Company），肖克萊改任新公司的晶體管部顧問。

在肖克萊商海失意之時，斯坦福大學校長特曼向他伸出了挽留之手，邀請他擔任斯坦福大學首任波尼亞托夫（A.M. Poniatoff）工程科學講座教授。1963年，肖克萊接受了特曼的邀請。至此，肖克萊的由科學家、發明家轉變為企業家的夢想便徹底破滅了。

在斯坦福大學，肖克萊的興趣點不斷擴散，一段時期里，曾以晶體管的發明為案例來研究科學家的創造力問題。這項工作可以說是他創業前的一項研究工作的繼續。在擔任國防部武器系統改進小組副組長期間，他曾寫過一篇《研究型實驗室個人產出變化率的統計學分析》。不過，肖克萊最終並沒有將這項研究工作深入下去，以致他沒能像普賴斯（D. Price）和加菲爾德（E. Garfield）一樣成為1960年代科學計量學興起的奠基人之一。此外，這一時期，肖克萊還寫過數篇有關晶體管取得重大突破的非常有價值的科技史論文。

20世紀60年代後期，肖克萊對遺傳與智力之間的關係問題產生了濃厚的興趣，並開始支持一種有著廣泛爭議的傳統觀念，即人種之間存在智力差別。他多次鼓動美國國家科學院資助這方面的研究。為此，他還與當時擔任科學院院長的早年好友塞茨發生了一次激烈的衝突。進入70年代後，肖克萊對人種學和優生學越發著迷。他宣稱黑人的智商要比白種人低20%，認為黑種人的高繁殖率妨礙了種族的進化，建議智力在某一個程度以下的人接受絕育。這種種族歧視的觀點引起了人們的憤怒，弄得斯坦福大學黑人學生在校園裡遊行抗議，併火燒其模擬像。哈佛、耶魯等大學也不得不拒絕他前去演講。

1974年9月，肖克萊從斯坦福大學退休。晚年的肖克萊仍然沒有改變其爭強好勝的性格。他不僅喜歡同人爭辯，還喜歡航海和游泳，不時向自己的熟人提出挑戰，弄得同事們都設法躲避他。日益孤獨的肖克萊後來患了前列腺癌，不幸於1989年8月謝世，享年79歲。

肖克萊一生獲得了50項以上的專利，並發表了許多論文。除獲諾貝爾物理學獎外，他還獲得了美國物理學會的巴克萊（Buckley）獎、國家科學院的科姆斯托克（Comstock）獎，機械工程師協會的霍利（Holley）獎章等。此外，還於41歲時當選美國國家科學院院士，是當時獲此殊榮的最年輕的科學家之一。1962年，他還擔任了美國總統科學顧問委員會委員。

1999年，美國《洛杉磯時報》評選的「本世紀經濟領域50名最有影響力人物」中，肖克萊和當年離他而去的諾伊斯以及另一位集成電路發明人基爾比（J. S. Kilby）三人並列第一。這表明後人對肖克萊在晶體管的發明與應用方面的貢獻給予了充分的肯定。史學家和美國電氣與電子工程學會資深會員邦丟派迪阿（P. K. Bondyopdhyay）曾這樣評價道：「正是結晶體管這個肖克萊在理論上革命性的發明帶來了半導體革命，開啟了硅時代」。

5.分析討論

肖克萊的一生跌宕多姿，給我們留下了很多值得思考的問題。

（1）桀驁不馴的肖克萊如果不是被凱利這個伯樂慧眼識中，並被委任為固體物理研究組負責人，讓其統率一批跨學科的資深研究人員從事半導體研究，貝爾有可能如此快速地發明晶體管嗎？

1947年12月，點接觸晶體管發明之時，全權負責半導體放大器研發工作的肖克萊才37歲，巴丁39歲，布拉頓45歲。也就是說，核心研究人員都比肖克萊年紀大，但貝爾並沒有論資排輩，並沒有為研究小組安排一位德高望眾的老科學家，譬如說安排在貝爾第一個獲得諾貝爾獎的固體物理學家戴維孫（C.J. Davisson）來傳、幫、帶。研究表明，傑出科學家做出重大貢獻的最佳年齡區在25~45歲之間，其最佳峰值年齡為37歲左右，50歲以上仍取得重大研究突破，並因此而獲諾貝爾獎者非常少見。世界首個晶體管誕生於貝爾很大程度上要歸功於凱利組建起了這麼一支以肖克萊為首的年輕的科研突擊隊。肖克萊後來自己也說，如果不是凱利讓他領銜負責晶體管的研發，估計點接觸晶體管在貝爾至少要晚誕生一年。而要是真的晚一年誕生的話，晶體管的發明很有可能由美國當時的另一個半導體研究據點普渡大學（Purdue University）完成。

此外，貝爾在開發晶體管方面所取得的成功與其堅持搞多學科交叉研究也有很大的關聯。肖克萊所率的研究小組匯聚了一批千里馬，他們當中既有理論專家，又有實驗高手；既有物理學家，又有電路專家、材料專家。也就是說，研究團隊不是按照傳統的學科性質，而是按照任務需求組建的。這種任務導向型的人才搭配，為晶體管的發明提供了強有力的人力資源保障。

（2）作為半導體研究小組負責人的肖克萊，如果在場效應放大器研究受阻時，無權自行決定將研究重點轉向固體物理基礎理論問題——表面態的研究，研究小組有可能發明點接觸晶體管嗎？

肖克萊領導的半導體研究小組的主要任務是研製固體放大器，以替代電子管。最初，研究人員想依據肖克萊提出的空間場效應思想，用半導體材料製作一種場效應放大器，但實驗受阻。在分析實驗受阻的原因時，巴丁提出了表面態問題。表面態問題如果確實存在，不把它的機理弄清，就無法設計、製作肖克萊的場效應放大器。因此，巴丁等人認為展開表面態研究是必要的。在組長肖克萊的支持下，研究小組開始轉向表面態是否存在，以及倘若存在如何調控等問題的研究。此項基礎理論研究，花費了研究小組一年多的時間。半導體研究小組自1945年7月成立到1947年底發明點接觸晶體管，兩年半的時間裡共花去100多萬美元的科研經費，其中相當大的數額花在表面態問題的研究上了。

表面態問題是巴丁調到貝爾後才提出來的，也即研究小組當初並沒有打算要研究這一問題。如果貝爾在科研經費等問題上管得太死，不給肖克萊足夠的研究自由度，那麼我們很難想像會有後面的晶體管的發明。事前提出研究計劃和經費預算進行項目申報是必要的，但是，科研過程中存在很多不確定性，因此僅以項目申報書中所列條項作為科研的最終驗收依據，特別是經費的使用依據存在很多弊端。科研管理不能像企業管理那樣，每一項計劃都要求在規定的條件下（主要是時間和經費）按質按量完成。科研，特別是探索性很強的基礎研究無法達到當初的預期目標根本不足為怪。

（3）如果肖克萊只擁有一支搭配合理的研究隊伍和充裕的研究經費以及足夠大的研究自由，但所需的試驗材料、實驗設備受制於人，不容易入手，研究小組的創新是否具有可持續性？

二戰期間，人們在研製探測飛機用的高頻雷達時發現，用硅晶體或鍺晶體製成的檢波器比天然礦石檢波器的性能更好。在美國軍方的推動下，戰時硅晶體和鍺晶體的提純以及摻雜技術獲得了快速發展。由於貝爾的母公司AT&T所屬西部電器公司是美國軍方指定的負責這些晶體檢波器生產的廠家，故負責檢波器批量生產技術開發的貝爾陸續掌握了相關材料的提純和摻雜技術。但是，這些雷達用半導體材料仍然很難滿足實驗室理論研究的需要，於是貝爾的科研人員又研製出了氣相沉積法、火成法等加工單晶硅和單晶鍺的方法，從而滿足了肖克萊等人對半導體試驗材料提出的要求。如果研究所需的超高純度的單晶硅和單晶鍺不能及時入手，研究小組的研究活動將成無米之炊。結型晶體管的構思提出之後兩年多才獲得實驗檢證，其主要原因就是研究小組當時根本製作不出具有兩個PN結、中間層很薄的類似三明治結構的實驗樣品。貝爾科研人員最終開發出溫度和位移都極其精密的拉晶機之後才用雙摻雜技術通過生長的方式成功製作出實驗樣品。可以說，晶體管的發明很大程度上得益於所需半導體試驗材料和實驗設備的及時研製與獲取。

1950年代初日本研究機構曾試圖通過模仿方式搞出晶體管，但是頻頻失敗，箇中原因就是其工業基礎薄弱，根本就生產不出超高純度的半導體材料和相關實驗儀器設備。一個國家如果連實驗所需的滴定管、氯化鈉、高純材料都要依賴進口，其基礎研究和應用開發想上台階，關鍵核心技術想取得突破實際上是很困難的。

（4）在順境中長大、出身於名門大學的肖克萊如果沒有能夠養成勝不驕、敗不餒的良好品性，在點接觸晶體管問世之後，能夠很快地發明更為實用的結型晶體管以及提出體形場效應晶體管的構想嗎？

點接觸晶體管是在研製空間場效應放大器過程中偶然發明的。雖然它的誕生並不意味著肖克萊提出的場效應放大器思想的失敗，但它畢竟是世界上首個半導體放大器，具有里程碑意義。作為研究小組負責人肖克萊沒有能夠成為這個事件的主角，免不了會產生挫折感。但他並沒有因此而一蹶不振，相反他在反思與發明失之交臂的深層原因之後，更加發奮努力，連元旦假日都不休息，以致在點接觸晶體管問世後一個月便針對其缺陷提出了嶄新的結型晶體管的構想，此後，他又再接再厲，創下了在15個月里獲得5項相關發明專利的佳績。功夫不負有心人，1950年4月研究小組終於成功地試製出結型晶體管，並在此後迅速搶佔了商業化應用的先機。用事實證明了自己的實力之後，肖克萊並沒有陶醉在成功的喜悅之中，而是進一步將這種三明治結構的晶體管與自己最初提出的場效應思想聯繫起來思考，終於又提出了結型場效應晶體管的構想，此構想後來又被實驗證實。

這個例子告訴我們，非智力因素對科學家創造力的影響不容低估。一些科研人員之所以碌碌無為，或取得初步成功後便再也做不出像樣的成績，並非完全輸在智力、教育方面，而是心理素質和道德修養不夠高，容易被帽子、票子和位子拖累。

（5）肖克萊是半導體研究小組負責人，卻沒有被列人點接觸晶體管的發明人名單；他獲得了許多發明專利，但貝爾並未准許他獲得更多份額的專利使用費。這反映出來的是一種什麼樣的創新文化？

在我們看來，點接觸晶體管的發明不能沒有晶體管研發項目負責人肖克萊的一份功勞。而在美國，肖克萊雖然主導了晶體管項目的研究，也親自參與了多次實驗，但因沒有參與關鍵性的實驗，其早先的構想與呈現出來的首個晶體管也沒有直接的關聯，結果仍然被毫不留情地排除在點接觸晶體管發明者名單之外。顯然，美國的創新文化不是一味地鼓勵人們去爭經費、爭位子，而是鼓勵人們積極地參與實驗研究，進行思想理論創新。一個科研人員不論他多麼有權、有錢，只要他沒有實際參與研究、實驗，也沒有為科研工作提供有價值的思想，那麼他就沒有資格享有該項成果的署名權。

再者，在貝爾從事科研過程中形成的諸多發明皆屬於職務發明，因為在大科學時代不使用科研機構的設備儀器，不由科研機構提供經費和薪資，一些發明根本就搞不出來。既然是職務發明，那麼專利使用費的分配就不能由個人主宰。貝爾在專利使用費分配額問題上明知有可能招致肖克萊的不快，甚至有可能誘發他出走，仍然不願意無原則地遷就這名傑出的學術帶頭人。綜觀貝爾處理肖克萊的專利問題的方式，我們可以感受到一種講究實事求是，講究實際貢獻，反對爭名奪利，反對浮躁激進的創新文化的存在。

（6）肖克萊當選為美國國家科學院最年輕的院士之一後，仍然只能做項目研究小組組長，而沒有被委以更高的科研管理職務，這算不算是一種人才打壓？

歷史上，像肖克萊這樣多次利用新的理論原理預測出電子器件的發展走向，並在不久後組織研製出預想實物的物理學家並不多見。恐怕誰都不會否認肖克萊的科研預見能力，但是，他在科研過程中表現出來的自我中心主義則令人嘆息。為了驗證自己的設想，他會讓下屬中止各自的研究而去幫他進行實驗。而對別人的研究興趣，他難得給予足夠的尊重，以致像巴丁這樣後來因從事超導理論研究再次獲得諾貝爾獎的理論物理學家都不惜辭職離他而去，像布拉頓這樣的優秀實驗物理學家和長期的合作夥伴最終都不願意與其共事。

在大科學時代，科研工作關鍵不在於是否是由科研能力強的內行來管理，而在於領導者是否善於聽取下屬的意見，能否博採眾長，充分調動各自的積極性。科研能力強並不意味著管理能力也強。貝爾高層意識到了這些，所以才不惜重用肖克萊的多名部下，也不肯將科研能力突出的肖克萊提拔到重要的領導崗位上來。後來肖克萊領導多名科技精英在加州創業失敗，可以說在某種程度上佐證了貝爾高層當初決定的正確性。

（7）肖克萊作為世界上最傑出的物理學家之一，創辦公司時也曾吸引來了像諾伊斯、穆爾這樣的科技精英前來相助，為什麼科研力量如此強大的高科技公司最終還是難逃厄運呢？

企業經營管理與科研院所的經營管理不同，它不僅涉及到技術創新，而且還涉及市場創新和組織創新。企業技術創新的實質在於把技術這種生產要素引入生產體系，實現技術要素與其他生產要素的新組合，使技術發明得到商業化應用。導致企業利潤增長的是技術創新，而不是單純的技術發明，更不是科學發現。企業的科技優勢並不必然的導致經濟優勢。因此，企業的研發必須考慮市場的需求，不能在研發過程中一味地強調技術的先進性。脫離生產實際和市場需求的研發不可能導致創新的成功。

肖克萊作為一名長期在貝爾從事研發工作的物理學家，勇於到加州創辦高科技公司，精神可嘉。但他對企業技術創新的理解是不充分的。由於他過於重視技術研發，致使研發費用開支瀕臨失控。這樣當然會對公司的生產造成衝擊。生產不出有市場競爭力的產品的結果是，公司的凝聚力不斷減弱。在技術開發方面，肖克萊低估了實驗室里的技術和工業化生產技術之間的差異。在貝爾的超高技術環境下，一些樣品的試製根本不成問題，但是肖克萊要在自己的處於初創時期的公司里大批量生產，無論他聘來的技術人員多麼優秀，多麼努力，也無法做得到。加上肖克萊好自以為是，聽不進部下的建言，最終將公司引入歧途也就不足為怪了。

（8）作為諾貝爾獎獲得者的肖克萊，如果不是在美國，而是在東方，提出一個自己甚感興趣的課題立項建議，它有可能被自己的同事好友們無情地拒絕嗎？

創辦高科技公司失敗後的肖克萊，在應邀擔任斯坦福大學教授期間，對人種與智能之間的關係問題產生了濃厚的興趣，並形成了黑人的智力比白人的低、遺傳對智力的影響比環境的要大的看法。儘管他多次要求美國國家科學院立項資助這方面的研究，但是他的建議始終沒有獲得通過。肖克萊作為美國科學院的院士，科學院院長塞茨的多年好友，連這麼一個課題立項要求都無法獲得通過。這在某種程度上印證了美國學術界同行評議的嚴肅性和權威性。的確，肖克萊在生物學方面沒有什麼專長，但他畢竟是諾貝爾獎獲得者，既然他認為人種與智力的關係是一個值得深入研究的學術問題，那麼尊重他的意見，或將其建議作些修改，設置一個這方面的研究課題無傷大雅。但是，美國學術界卻絲毫情面都不講，弄得肖克萊頗為難堪。

由此可以看出，美國的學術生態和東方的存在不少差異。在美國，一個權威超出自己的學術研究範圍說事不會被認為是權威性的意見。而在東方，這種意識比較薄弱，盲目崇拜權威的現象相當普遍。在這種文化氛圍中，若院士不僅是一個榮譽性的稱號，還擁有課題立項建議和評審等實權，那麼他對端正學風所負有的社會責任將十分巨大。

結語

肖克萊發明結型晶體管引發了半導體革命，揭開了硅時代的序幕。這項關鍵核心技術的攻克無疑是多種因素共同作用的結果。但從上述考察中可以看出，攻克關鍵核心技術至少有必要處理好新秀與元老、遠期與近期、個人與團體三個方面的關係。

（1）新秀與元老關係。肖克萊發明結型晶體管時並沒有院士稱號，也沒有其他任何帽子。但是貝爾實驗室的技術負責人凱利卻將研製晶體管的重任全權託付給了這樣的一位剛過而立之年的固體物理學界的新秀，而沒有交給擁有眾多耀眼頭銜的資深專家。實踐證明，正是因為凱利用人不唯帽子，貝爾才得以攻克晶體管這項關鍵核心技術。像足球這樣高度依賴經驗的行業，也許花重金聘用一位資深教練是必要的。但是科學研究和技術開發需要的是不墨守成規，因此經驗雖然重要，但它並非決定性因素，是故在科研領域沒有必要像足球領域那樣高薪聘請經驗豐富的權威專家來帶隊指導。由於攻克關鍵核心技術需要走前人從未走過的路，因此資深院士、諾貝爾獎得主並不一定比科研新秀擁有更多的優勢，也正因為如此，資深院士、諾貝爾獎得主很少有再創輝煌、再摘桂冠的。相反，將資源投放給像肖克萊這樣的青年才俊卻有可能實現顛覆性技術創新。

（2）長遠與近期關係。如果將貝爾成立固體物理研究組的時間點——1945年7月作為貝爾正式啟動晶體管項目的起點，將首個點接觸晶體管誕生的時間點——1947年12月作為終點，那麼晶體管項目只花了兩年半的時間就開花結果了。即使將宣布結型晶體管問世的時間點——1951年7月作為終點，晶體管項目也只花了六年的時間就大功告成。不要說兩年半，即使是六年，對攻克晶體管這樣的關鍵核心技術來講都不算長。問題是，早在二戰爆發前，凱利就支持肖克萊啟動了「固體放大器」的研究。如果將1938年肖克萊加入新成立的獨立研究小組作為晶體管項目的起點，那麼貝爾的晶體管研製經歷了十個年頭才初見成效。很明顯，攻克關鍵核心技術和實現顛覆性技術創新需要有長期的積澱，不能指望三、五年內就大功告成。如果科研人員耐不住寂寞，一心想著早出成果、快出成果、出大成果，不願意做長期規劃，那麼他很難在短期內實質性地取得重大研究突破。因此，科研管理部門不僅要寬容失敗，而且還要有容忍科研人員長期勞而無功的雅量。

（3）個人與團體關係。肖克萊無疑是組織實施晶體管研究的領軍人物，而且是一名固體物理專家。如果只是開展理論研究，依靠一名造詣很深的專才，就有可能在理論前沿取得重大突破。問題是理論研究和應用研究是兩回事。理論研究呼喚的是精通某一領域的專才，而應用研究呼喚的卻是通曉多個領域的通才。由於一個人的知識面是有限的，因此搞應用研究，尤其是開展關鍵核心技術的攻關，需要構建一個緊密合作型的知識和技能能夠實行互補的跨學科研究團隊。由於肖克萊率領的晶體管研製團隊是按照任務需求組建的，故得以匯聚一批學科背景各異的專家，他們當中既有理論專家，又有實驗高手；既有物理專家，又有材料專家。而且這些專家的工作場域都在貝爾實驗室，隨時都可以聚在一起切磋討論。由於不僅打破了學科壁壘，而且還可以真正地開展跨學科研究，因此貝爾的晶體管研究團隊能夠有效克服大學中常見的那種多學科分散研究的諸多弊端，進而得以率先實現晶體管這項顛覆性技術創新。這意味著，開展關鍵核心技術攻關，僅靠少數幾位明星科學家的分散努力是不行的，必須將多個方面的研究力量有效地整合起來才有可能取得成功！

本文系根據周程發表於《科學學研究》第26卷第2期上的「晶體管發明者肖克萊引發的科技管理問題思考」一文改寫而成。