Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Лауреаты Нобелевской премии / Премия по физике
Начало сайта / Лауреаты Нобелевской премии / Премия по физике

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Во главе двух академий

Доктор занимательных наук

Квантовый мир

Парадоксы науки

Среди запахов и звуков

Цепная реакция идей

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

ШОКЛИ (Shockley), Уильям

13 февраля 1910 г. – 12 августа 1989 г.

Нобелевская премия по физике, 1956 г.
совместно с Джоном Бардином и Уолтером Браттейном

 

Американский физик Уильям Брэдфорд Шокли родился в Лондоне, в семье Уильяма Хиллмена Шокли, горного инженера, и Мэй (урожденной Брэдфорд) Шокли – федерального инспектора шахт. Когда мальчику исполнилось три года, семья возвратилась в Соединенные Штаты и поселилась в Пало-Альто (штат Калифорния), где Ш. получил начальное образование. Родители поощряли его интерес к физике, пробудившийся под влиянием соседа, преподававшего физику в Станфордском университете.

Окончив в 1927 г. среднюю школу в Голливуде, Ш. поступает в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе и через год переходит в Калифорнийский технологический институт, который заканчивает в 1932 г. со степенью бакалавра. На учительскую стипендию он обучается в аспирантуре Массачусетского технологического института (МТИ) и в 1936 г. защищает докторскую диссертацию на тему «Вычисление волновых функций для электронов в кристаллах хлорида натрия» ("Calculations of Wave Functions for Electrons in Sodium Chloride Crystals"). Физику твердого тела Ш. изучает в МТИ, и его работа по кристаллам становится прочным фундаментом для последующей научной деятельности.

В 1936 г. он становится сотрудником лаборатории телефонной компании «Белл» в Мюррей-Хилле (штат Нью-Джерси), где работает с Клинтоном Дж. Дэвиссоном. Первым заданием Ш. было проектирование электронного умножителя – особого рода электронной лампы, действующей как усилитель. Затем он занимается исследованиями по физике твердого тела и в 1939 г. выдвигает план разработки твердотельных усилителей как альтернативы вакуумным электронным лампам. Его проект оказался неосуществимым из-за отсутствия в то время необходимых материалов, но основной замысел совпадал с общей направленностью всей деятельности лаборатории «Белл» – с развитием телефонной связи на основе не механических переключателей, а электронных устройств.

Во время второй мировой войны Ш. работает над военными проектами, сначала над электронным оборудованием полевой радарной станции фирмы «Белл». С 1942 по 1944 г. он исполняет обязанности директора по науке группы по исследованию противолодочных операций, учрежденной Управлением военно-морского флота при Колумбийском университете в Нью-Йорке, с 1944 по 1945 г. состоит консультантом при канцелярии военного министра. Новая область, получившая название «исследование операций», ставила перед собой чисто военные задачи, которые анализировала и решала научными методами, например разработку оптимальных схем сбрасывания глубинных бомб при охоте за подводными лодками или выбор оптимального времени и целей для бомбардировочной авиации.

В 1945 г. Ш. возвращается в лабораторию «Белл» в качестве директора программы научных исследований по физике твердого тела. В его группу входят физик-теоретик Джон Бардин и физик-экспериментатор Уолтер Браттейн. Группа возобновляет начатые перед войной исследования класса материалов, известных под названием полупроводников. Полупроводники обладают электропроводностью, промежуточной между электропроводностью хороших проводников (к числу которых относится большинство металлов) и изоляторов. Электропроводность полупроводников сильно изменяется в зависимости от температуры, а также характера и концентрации примесей в материале. Полупроводники уже использовались в качестве выпрямителей – устройств, проводящих электрический ток только в одном направлении и способных поэтому превращать переменный ток в постоянный. В первых радиоприемниках в качестве выпрямителя сигналов радиоволн, принимаемых антенной, использовался контакт между «кошачьим усом» (витком проволочки) и кристаллами галенита (полупроводникового минерала).

Со временем кристаллы были заменены электронными лампами, которые стали наиболее важными и распространенными электронными устройствами. Появление усилительных ламп открыло путь для роста электронной промышленности, но срок службы ламп был сравнительно коротким, для подогрева катодов требовался дополнительный расход энергии, хрупкие стеклянные баллоны занимали большой объем. Ш. и его группа надеялись преодолеть эти недостатки, изготавливая усилители из выпрямляющих ток полупроводников.

Хотя применение квантовой теории к физике твердого тела расширило знание свойств полупроводников, теория не была адекватно подтверждена экспериментами. Ш. намеревался моделировать основной принцип устройства электронной лампы, прикладывая электрическое поле поперек полупроводника с тем, чтобы управлять прохождением электрического тока. Хотя вычисления Ш. показывали, что такое поле должно приводить к усилению тока, получить практические результаты не удавалось. Бардин высказал предположение о том, что электроны оказываются запертыми в поверхностном слое, который препятствует проникновению поля внутрь полупроводника. За этой удачной идеей последовала серия экспериментов по изучению поверхностных эффектов. Эти эксперименты помогли трем исследователям понять сложное поведение полупроводниковых устройств.

Было известно, что проводимость в полупроводниках осуществляется носителями заряда двух типов: электронами и «дырками». Электроны, участвующие в проводимости, – это избыточные электроны из числа тех, которые связывают атомы и твердый кристалл. Дырки соответствуют недостающим электронам. Так как электрон несет отрицательный заряд, незаполненное электронное состояние ведет себя как положительный заряд такой же величины. Дырки также обладают способностью двигаться, хотя и не с такой скоростью, как электроны, и в противоположном направлении. Когда соседний электрон перемещается «вперед», чтобы заполнить дырку, он оставляет позади себя новую дырку, поэтому создается впечатление, будто дырка движется назад. Группа Ш. установила, что вклад дырочного тока в полный ток обычно недооценивается. Вводимые в чистый кристалл примеси в виде атомов, нарушающих регулярную кристаллическую структуру, создают области с избыточным количеством электронов (n-тип) или дырок (p-тип).

В 1947 г. Бардин и Браттейн достигли первого успеха, построив полупроводниковый усилитель, или транзистор (от английских слов transfer плюс resistor, от лат. resisto – сопротивляюсь). Окончательный вариант прибора состоял из блока германия (полупроводника n-типа) с двумя близко расположенными точечными контактами («кошачьими усами») на одной грани на противоположной грани. К одному контакту (эмиттеру) приложено небольшое положительное напряжение относительно широкого электрода (базы) и большое отрицательное напряжение относительно второго контакта (коллектора). Сигнальное напряжение, подаваемое на эмиттер вместе с постоянным смещением, передается со значительным усилением в цепь коллектора. В основе действия транзистора лежит внедрение дырок в германий через контакт-эмиттер и их движения к контакт-коллектору, где дырки усиливают коллекторный ток. Последующие события развертывались стремительно Ш. предложил заменить точечные контакты выпрямляющими переходами между областями p- и n-типа в том же кристалле. Такое устройство, получившее название плоскостного транзистора, было изготовлено в 1950 г. Оно состояло из тонкой p-области, заключенной между двумя n-областями (все области имеют отдельные внешние контакты). Плоскостной транзистор основательно потеснил транзистор с точечными контактами, так как производить плоскостной транзистор оказалось гораздо легче, а функционирует он надежнее Усовершенствование методов выращивания, очистки и обработки кристаллов кремния позволило осуществить давнюю идею Ш. о создании транзистора на основе полевых эффектов. Ныне этот тип транзисторов наиболее широко используется в электронных устройствах. Современная промышленность в состоянии выпускать миниатюрные кремниевые кристаллы, в каждом из которых умещаются сотни тысяч транзисторов, и число это продолжает расти Появление таких кристаллов стимулировало быстрое развитие новейших компьютеров, портативных, умещающихся в руке калькуляторов, сложных средств связи, приборов управления, слуховых аппаратов, медицинских зондов и других электронных устройств.

В 1956 г. Ш., Бардин и Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». На церемонии презентации Э.Г. Рудберг, член Шведской королевской академии наук, назвал их достижение «образцом предвидения, остроумия и настойчивости в достижении цели».

Ш. оставался сотрудником лаборатории «Белл» до 1955 г., в последний год был руководителем исследований по физике транзисторов Он также занимал различные должности вне лаборатории – был приглашенным лектором в Принстонском университете (1946), советником по науке Политического комитета Объединенной комиссии по исследованиям и развитию (1947...1949) и членом научно-консультативного комитета армии США (1951...1963). В 1954...1955 гг. Ш. был приглашенным профессором Калифорнийского технологического института и руководителем научных исследований группы оценки систем оружия министерства обороны США С 1958 по 1962 г он состоял также членом научно-консультативного комитета военно-воздушных сил США.

После ухода из лаборатории «Белл» Ш. создает полупроводниковую лабораторию Шокли (впоследствии транзисторную корпорацию Шокли, входящую в состав компании «Бекман и инстуентс») в Пало-Альто, занимавшуюся разработкой транзисторов и других полупроводниковых устройств. В 1968 г. фирма после двукратной смены хозяев прекратила свое существование.

В 1962 г. Ш. был назначен членом консультативного научного комитета по рабочей силе при президенте США. Он входил также в научно-консультативный комитет при НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства). В 1963 г. Ш. был назначен первым профессором инженерных и прикладных наук Станфордского университета, где он преподавал до выхода в отставку (1975).

Преподавание в Станфорде стимулировало у Ш. интерес к проблеме совершенствования научного мышления. Его идеи относительно улучшения общества в конце концов вызвали споры среди ученых-генетиков. У Ш. сложилось убеждение, что человечеству угрожает своего рода «ухудшение породы», поскольку у людей с более низким коэффициентом умственного развития рождается больше детей, чем у людей с более высоким коэффициентом. Его высказывания, носившие сначала общий характер, вскоре стали все более приобретать расистский оттенок. Так, в 1970 г., выступая в американской Национальной академии наук, он заявил, что проведенные им исследования «неизбежно приводят к выводу о расово-генетической основе проблем негритянского населения Америки». За подобные взгляды он был подвергнут резкой критике со стороны многих общественных деятелей и ученых, подчеркивавших, однако, что научная значимость достижений Ш. никак не может быть подорвана его суждениями о генетике.

Кроме работ по физике полупроводников и транзисторов, Ш. внес важный вклад в использование свойств магнитных материалов для банков памяти компьютеров и в развитие электромагнитной теории. В круг его интересов входили энергетические полосы в твердых телах, пластические свойства металлов, теория границ зерен (поверхностей, разделяющих крохотные кристаллики, образующие поликристаллическое тело), порядок и беспорядок в сплавах. Ш. получил более 90 патентов на изобретения.

В 1933 г. он женился на Джин Альберте Бейли. У них родились двое сыновей и дочь. В 1955 г. они развелись, и в том же году Ш. женится вторично, на Эмми Лэннинг, медицинской сестре по уходу за психическими больными. В молодые годы он был заядлым альпинистом. По словам его второй жены, Ш. относился к альпинизму не как к форме отдыха, а как к проблеме, которую требовалось решить, и тщательно тренировался, готовя себя к такому решению. В более зрелом возрасте он предпочитал заниматься парусным спортом, плаванием и нырянием за жемчугом.

Кроме Нобелевской премии, Ш. награжден правительством США медалью «За заслуги» (1946), удостоен премии Морриса Либмана Института радиоинженеров (1952), премии Оливера Бакли по физике твердого тела Американского физического общества (1953), премии Комстока американской Национальной академии наук (1954), медали Холли Американского общества инженеров-механиков (1963), почетной медали Института инженеров по электротехнике и электронике (1980). Он был членом американской Национальной академии наук, Американского физического общества, Американской академии наук и искусств, Института инженеров по электротехнике и электронике.

 

Ранее опубликовано:

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992.
© The H.W. Wilson Company, 1987.
© Перевод на русский язык с дополнениями, издательство «Прогресс», 1992.

Дата публикации:

13 февраля 2000 года

Электронная версия:

© НиТ. Лауреаты Нобелевской премии, 1998

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2016
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика