Нобелови лауреати – 1956 година

Уилям Б. Шокли (William B. Shockley)

13 февруари 1910 г. – 12 август 1989 г.

Нобелова награда за физика, 1956 г. (заедно с Джон Бардийн и Уолтър Братейн)

(За изследването на полупроводниците и откриването на транзисторния ефект.)

Американският физик Уилям Брадфорд Шокли е роден в Лондон, в семейството на Уилям Хилмън Шокли, минен инженер, и Мей (Брадфорд) Шокли - федерална минна инспекторка. Когато момчето става на три години, семейството се връща в Съединените щати и се заселва в Пало Алто (щат Калифорния), където Шокли получава начално образование. Родителите поощряват интереса му към физиката, който се пробужда под влияние на съседа им - преподавател по физика в Станфордския университет.

Като завършва през 1927 г. средно училище в Холивуд, Шокли постъпва в Калифорнийския университет в Лос Анджелис и след една година се мести в Калифорнийския технологичен институт, който завършва през 1932 г. със степен бакалавър. Получава стипендия, учи аспирантура в Масачузетския технологичен институт (МТИ) и през 1936 г. защитава докторска дисертация на тема "Изчисляване на вълновите функции за електроните в кристалите на натриевия хлорид" ("Calculations of Wave Functions for Electrons in Sodium Chloride Crystals"). Физика на твърдото тяло Шокли учи в МТИ и изследванията му за кристалите се превръщат в здрав фундамент за бъдещата му научна дейност.

През 1936 г. Шокли става сътрудник в лабораторията на телеграфната компания "Бел" в Мъри Хил (щащ Ню Джърси), където работи с Клинтън Дж. Дейвисън. Първа негова задача е проектирането на електронен умножител - особен вид електронна лампа, действаща като усилвател. След това той се занимава с изследвания по физика на твърдото тяло и през 1939 г. предлага план за разработване на твърди усилватели като алтернатива на вакуумните електронни лампи. Проектът му се оказва неосъществен заради липсата по това време на необходимите материали, но основният му замисъл съвпада с общата насока на цялата дейност в лабораторията "Бел" - развитие на телефонните връзки не на основата на механичните превключватели, а на електронните устройства. 

По време на Втората световна война Шокли работи над военни проекти, отначало над електронното оборудване на полева радарна станция на фирмата "Бел". От 1942 до 1944 г. изпълнява длъжността научен директор на група за изследване на операциите срещу подводници, учредена от Управлението на военноморския флот към Колумбийския университет в Ню Йорк. От 1944 до 1945 г. е консултант към канцеларията на военния министър. Нова област, получила название "изследване на операциите", си поставя чисто военни задачи, които анализира и решава с научни методи, например разработване на оптимални схеми за пускане на дълбоководни бомби при преследване на подводници или избор на оптимално време и цели за бомбардиране от авиацията.

През 1945 г. Шокли се връща в лабораторията "Бел" като директор на програма за научни изследвания по физика на твърдото тяло. В неговата група са физикът-теоретик Джон Бардийн и физикът-експериментатор Уолтър Братейн. Групата възобновява започналите преди войната изследвания на материалите, известни под името полупроводници. Полупроводниците притежават електропроводимост между електропроводимостта на проводниците, към които се отнасят повечето метали, и изолаторите. Електропроводимостта на полупроводниците се променя силно в зависимост от температурата, а също и в зависимост от характера и концентрацията на примесите в материала. По това време полупроводниците се използват вече като токоизправители - устройства, провеждащи електрическия ток само в едно направление и способни поради това да превръщат променливия ток в постоянен. В първите радиоприемници като изправител на радиовълновия сигнал, приеман от антената, се използва контакт между бобина и кристали на галенит (полупроводников минерал).

След време кристалите били заменени с електронни лампи, които станали най-важните и най-разпространените електронни устройства. Появата на усилвателни лампи отворило път за подем на електронната промишленост, но трайността на лампите била сравнително кратка, за нагряването на катодите трябвало допълнителен разход на енергия, а крехките стъклени балони заемали голям обем. Шокли и неговата група се надявали да преодолеят тези недостатъци, като изготвят усилватели от изправящи тока полупроводници.

Макар че прилагането на квантовата механика към физиката на твърдото тяло разширява знанието за свойствата на полупроводниците, теорията не е потвърдена адекватно с експерименти. Шокли възнамерява да моделира основния принцип на устройството на електронната лампа, въвеждайки електрическо поле напречно на полупроводник, за да управлява преминаването на електрическия ток. Макар изчисленията на Шокли да показват, че подобно поле трябва да води до усилване на тока, той не успява да получи практически резултати. Бардийн изказва предположението, че електроните са затворени в повърхностния слой, който пречи на полето да проникне в проводника. След тази успешна идея следват серия експерименти за изучаване на повърхностните ефекти. Тези експерименти помагат на тримата изследователи да разберат сложното поведение на полупроводниковите устройства.

Известно е, че проводимостта в полупроводниците се осъществява от носители на заряди от два типа: електрони и "дупки". Електроните, участващи в проводимостта, са излишни електрони от тези, които свързват атомите в твърдия кристал. Дупките съответстват на недостигащите електрони. Понеже електронът има отрицателен заряд, незапълненото електронно състояние има поведение на положителен заряд със същата величина. Дупките могат също така да се движат, макар и не с такава скорост като електроните и в противоположно направление. Когато съседният електрон се премести "напред", за да запълни дупка, той оставя след себе си нова дупка, затова се създава впечатлението, че дупката се движи назад. Групата на Шокли установява, че приносът на дупчестия ток за пълния ток обикновено не се дооценява. Прибавените в чистия кристал примеси във вид на атоми, нарушаващи регулярната кристална структура, създават области с излишно количество електрони (n-тип) или дупки (p-тип).

През 1947 г. Бардийн и Братейн постигат първи успех, като създават полупроводников усилвател, или транзистор (от английските думи transfer и resistor, от лат. resisto - съпротивлявам се). Окончателният вариант на прибора се състои от блок германий (полупроводник от n-тип) с два близко разположени точкови контакта. Към единия контакт (емитер) се прилага слабо положително напрежение спрямо широк електрод (база) и силно отрицателно напрежение спрямо втори контакт (колектор). Сигналното напрежение, подавано на емитера заедно с постоянно изместване, се предава със значително усилване във веригата на колектора. В основата на действието на транзистора лежи създаването на дупки в германия чрез емитера и тяхното движение към колектора, където дупките усилват колекторния ток. По-нататъшните събития се разгръщат стремително. Шокли предлага да се заменят точковите контакти с такоизправящи преходи между областите от p- и n-тип в един и същи кристал. Това устройство, получило името плоскостен транзистор, е изготвено през 1950 г. То се състои от тънка p-област, намираща се между две n-области (като областите имат отделни външни контакти). Плоскостният транзистор заменя основателно транзистора с точкови контакти, защото производството на плоскостни транзистори се оказва много по-лесно, а и функционирането им е по-надеждно. Усъвършенстването на методите за производство, пречистване и обработка на силициеви кристали позволява да се осъществи старата идея на Шокли за създаване на транзистори на основата на полевите ефекти. Днес този тип транзистори се използват най-много в електронните устройства. Съвременната промишленост е в състояние да предложи миниатюрни силициеви кристали, във всеки от които са разположени стотици хиляди транзистори, като тази цифра продължава да расте. Появата на подобни кристали стимулира бързото развитие на най-новите компютри, портативните калкулатори, сложните свързочни средства, приборите за управление, слуховите апарати, медицинските сонди и други електронни устройства.

Шокли остава сътрудник на лабораторията "Бел" до 1955 г., като през последната година е ръководител на изследванията, свързани с физиката на транзисторите. Той се занимава също така с различни длъжности извън лабораторията - поканен е за лектор в Принстънския университет (1946 г.), научен съветник е към Политическия комитет на Обединената комисия за изследване и развитие (1947-1949) и е член на Нанаучноконсултативния комитет на армията на САЩ (1951-1963). През 1954-1955 г. е поканен за професор в Калифорнийския технологичен институт и за ръководител на научните изследвания на групата за оценка на оръжейните системи към Министерството на отбраната на САЩ. От 1958 до 1962 г. е също така член на Научноконсултативния комитет към военновъздушните сили на САЩ.

След като напуска лабораторията "Бел", Шокли създава полупроводниковата лаборатория "Шокли" (по-късно транзисторна корпорация "Шокли", част от компанията "Бекмън и инстуентс") в Паоло Алто, занимаваща се с разработка на транзистори и други полупроводникови устройства. През 1968 година, след като сменя двама собственици, фирмата прекратява своето съществуване.

През 1962 г. Шокли е назначен за член на Консултативния научен комитет за работната сила към Президентството на САЩ. Той е член също така на Научния консултативен комитет на НАСА (Националното управление за аеронавтика и изследване на космическото пространство). През 1963 г. Шокли е назначен за първи професор по инженерни и приложни науки в Станфордския университет, където преподава до излизането си в пенсия през 1975 година.

Преподаването в Станфорд стимулира интереса на Шокли към проблема за усъвършенстване на научното мислене. Неговите идеи за относителното подобряване на обществото предизвикват в края на краищата спорове с средите на учените-генетици. Шокли е убеден, че човечеството е заплашено от "влошаване на породата", защото хората с по-нисък коефициент на умствено развитие раждат повече деца от хората с по-висок коефициент. Изказванията му, които имат отначало общ характер, започват скоро да придобиват расов отенък. Така, вземайки думата през 1970 г. в американската Национална академия на науките, той заявява, че проведените от него изследвания "водят неизбежно до извода за расово-генетична основа на проблемите на негърското население в Америка". За подобни възгледи Шокли е подложен на остра критика от страна на много обществени дейци и учени, които обаче подчертават, че научната му дейност не може да бъде подкопана от неговите съждения за генетиката.

Освен че работи в областта на физиката на полупроводниците и транзисторите, Шокли има важен принос за използването на свойствата на магнитните материали в паметта на компютрите и за развитието на електромагнитната теория. В кръга на интересите му влизат енергетичните ивици в твърдите тела, пластичните свойства на металите и реда и безредието в сплавите. Шокли има над деветдесет патента за изобретения.

През 1933 г. Шокли се жени за Джийн Бейли. Семейството има двама синове и една дъщеря. През 1955 г. се развежда и се жени за Еми Ленинг, медицинска сестра, която се грижи за психично болни хора. В младите си години Шокли е заклет алпинист. По думите на втората му жена той се отнася към алпинизма не като към вид отдих, а като към проблем, който трябва да бъде решен, и затова тренира упорито, готвейки се за това решение. В по-зряла възраст Шокли предпочита да се занимава с ветроходство, плаване и гмуркане за бисери.

Освен с Нобелова награда ученият е награден от правителството на САЩ с медала "За заслуги" (1946 г.), удостоен е с наградата Морис Либван от Института на радиоинженерите (1952 г.), с наградата Оливър Бъкли за физика на твърдото тяло от Американското физическо дружество (1953 г.), с наградата Комсток от американската Национална академия на науките (1954 г.), с медала Холи от Американското дружество на инженерите-механици (1963 г.) и с почетен медал от Института на инженерите по електротехника и електроника (1980 г.). Член е на американската Национална академия на науките, на Американското физическо дружество, на Американската академия на науките и изкуствата и на Института на инженерите по електротехника и електроника.

Превод от руски: Павел Б. Николов