Vissza

110 éve született William Shockley, a tranzisztor egyik feltalálója és továbbfejlesztője

A tranzisztor feltalálása – mely hetven évvel ezelőtt teljesen megváltoztatta az életünket – több ember nevéhez fűződik, ennek a csapatnak a vezetője volt William Shokley, akinek most a 110. születésnapja alkalmából ismerkedhetünk meg az élettörténetével és szakmai munkásságával.


William Bratford Shockley Londonban született 1910. február 13-án, de amerikai állampolgárként. Apja, William Hillman nyolc nyelven beszélő bányamérnök volt, aki feleségével együtt hosszabb ideig Nagy-Britanniában dolgozott és üzletelt. Shockley három éves volt, mikor visszatértek otthonukba, Palo Alto-ba. Általános tanulmányai elvégzése után a Caltechen (California Institute of Technology) szerezte meg a fizikusi diplomáját 1932-ben, majd az MIT-n (Massachusetts Institute of Technology) doktorált 1936-ban. Doktorátusi témáját John Clarke Slater vezette, aki az atomok, molekulák és félvezetők elektron-struktúrájával foglalkozott. Shockley így a nátrium-klorid energiasávjairól értekezett doktori értekezésében és komoly elméleti felkészültséget szerzett a témában. Nem véletlen, hogy az AT&T kiemelkedő tudású fiatalokat kereső kutatóbázisa, a legendás Bell Telephone Laboratories lecsapott rá, így egészen 1955-ig ott dolgozott.

Ahogy Shockley 1956-ban a Nobel-díj átvételekor megtartott beszédében kiemelte, abban, hogy elfogadja az állást, erős motivációt adott az, hogy Clinton Joseph Davissonnal dolgozhatott együtt, aki 1937-ben megosztva kapta meg a fizikai Nobel-díjat az elektrondiffrakció felfedezéséért. Ugyancsak Davisson volt a mentora Mervin Joe Kellynek, aki Shockley főnőke lett a Bell laborban. Kelly kifejtette, hogy a Bell labor célja megbízható jelerősítők kifejlesztése, hogy az AT&T kontinenst átívelő nagytávolságú összeköttetéseit ezek ezreivel lássák el. Kelly az elektroncsöves megoldásokat fejlesztette tovább, de ezek megbízhatósága elég alacsony, az elektroncsövek élettartama pedig igen rövid volt. Ezért arra bíztatta Shockley-t, hogy kutatásait az elektroncső szilárdtest alapú kiváltására, a félvezetős erősítők létrehozása irányába folytassa. Shockley ebben az irányban indult el és alapvető eredményeit a Physical Review-ban publikálta. Közben 1938-ban már megszületett első szabadalma is, egy elektronsokszorozó vákuumcső formájában (US 2236012).

Kutatásait egy időre a második világháború szakította meg. Ekkor radarfejlesztési, majd tengeralattjárók elleni eszközök kutatásában vett részt. A világháború után tért vissza az eredeti kutatásihoz és Kelly 1945-ben kinevezte Shockley-t a félvezető fejlesztési csoport vezetőjének. Néhány éves kényszerű szünet után még fontosabbá vált ugyanis az elektroncsövek félvezetővel való helyettesítése.

A kutatócsapat másik vezetője Stanley Morgan vegyész volt, s a tagjai között megjelent két kiváló kutató, John Bardeen és Walter Brattain. Ők ketten nagyon jól kiegészítették egymást, Bardeen főként elméleti kutató volt, Bardeen viszont gyakorlatiasabb érzékkel is meg volt áldva, ami azért volt fontos, mert össze kellett rakni az elméletek igazolására – vagy éppen kudarcára – alkalmas összeállításokat. A munkában Shockley azon gondolata alapján indultak el, hogy külső elektromos mezővel befolyásolják a félvezető vezetőképességét. A kísérletek azonban fényes kudarcot vallottak. Rá kellett ébredniük, hogy az elmélet hibás és Shockley ezt azzal magyarázta, hogy a félvezető felületi töltése szinte páncélt képez és nem engedi a külső tér hatását érvényesülni. Bardeenre bízta, hogy kitalálja, hogy lehet ezen a páncélon áttörni. Shockley pedig más problémák megoldásába mélyedt.

Bardeen és Brattain ezek után folyamatos kísérletezésbe kezdtek, s eljutottak ahhoz a gondolathoz, hogy ha a germániumlapkába két igen közeli ponton érintkezőt vezetnek, akkor az egyik érintkező (emitter) és a félvezető (bázis) között folyó árammal a másik érintkezőn (kollektor) akár százszoros erősítést is el tudnak érni. 1947. december 16-án a gyakorlatban is sikerült ez az erősítőhatást megvalósítaniuk és ezzel megszületett e pont-kontaktusos tranzisztor modellje. Az eredményt bejelentették Shockley-nak, aki december 23-ra meg is szervezte a bemutatót a Bell labor vezetése számára. Ugyanakkor nagyon bosszús volt azért, hogy a találmány létrehozásában nem vett részt, ez komoly nézeteltérésekhez vezetett. A Bell vezetése úgy próbált úrrá lenni a helyzeten, hogy kötelezték Bardeent és Brattaint arra, hogy a bejelentés után készülő fotókon mindhármuknak rajta kell lenni. Ugyanakkor a találmányra vonatkozó szabadalmat ketten adhatták be közösen, ezen Shockley nem szerepelhetett. 

Shockley a kialakult helyzetet nehezen tudta kezelni, emberi tulajdonságai nem igazán voltak alkalmasak annak az elviselésére, hogy kimaradt az erősítő eszköz feltalálásából, amit John R. Pierce javaslata alapján – a transfer és resistor szavak összevonásával – tranzisztornak neveztek el. A december 23-i bemutató elsöprő sikere után dolgozott benne a versenyszellem, hogy a pont-kontaktusos tranzisztor helyett egy sokkal elegánsabb – és főként gyárthatóbb – megoldást kell találni. Megsértve a Bell labor alapszabályait, egymaga kezdett neki a megoldásnak, kirekesztve ebből saját beosztottjait, különösen Bardeent és Brattaint. Meglévő kutatási eredményei alapján hetek alatt lefektette a bipoláris rétegtranzisztor elvi megoldását. Ennek a lényege az volt, hogy magán a félvezető tömbön belül kell létrehozni azokat a rétegeket, melyek vezérelhetővé teszik az átfolyó áramot. A kész jegyzetein az 1948. január 23-i dátum található, ettől kezdve tehát a kidolgozott elmélet megvalósítása volt a célja.

1948 februárjában Shockley kérésére John Shive egy egészen vékony, különlegesen tiszta germániumkristályt állított elő és a kollektort a kristály egyik, az emittert a másik végére helyezte, hogy minimális legyen közöttük az átvezetés a félvezető felületén. Shockleynak ezzel az összeállítással sikerült igazolna elméletének a helyességét, a kisebbségi töltéshordozók áramlását a félvezető tömbben. Már csak az a lépés maradt hátra, hogy megvalósítsa az ellenkező polaritású réteget a kristályon belül. Ezt a kristály egy adott rétegének az eltérő szennyezésével lehetett elérni. A teljesen tiszta félvezetőben ugyanis az elektronok és az elektronok hiányát reprezentáló lyukak egyensúlyban vannak. A félvezető egészen minimális szennyezésével azonban az egyensúlyt akár az egyik, akár a másik irányba el lehet billenteni. Így jönnek létre a rétegtranzisztor n illetve p rétegei. Nos, Shockleynak és csapatának 1950 tavaszára sikerült tökéletesítenie a szennyezés technológiáját annyira, hogy Brattain, Teal és Sparks segítségével megszületett az első rétegtranzisztor, ahol az n szennyezésű tömb felezősíkjában egy igen keskeny p típusú réteget állítottak elő. Már az első mérések jól mutatták, hogy Shockley felállított elmélete helyes volt.

Shockley felfedezése annyiban volt több Bardeen és Brattain úttörő kísérleténél, hogy nem csak megcsinálta, hanem meg is értette a létrehozott eszköz működési mechanizmusát. Már Brattain felismerte, hogy a tiszta félvezető kristályban az elektronok energiája sávokba rendeződik. Az alacsonyabb energiájú állapotok alkotják a vegyértéksávot, s e fölött helyezkedik el a nagyobb energiájú vezetési sáv. A két sávot a tiltott zóna választja el, ezt azért hívják így, mert ebben az energiatartományban az elektron nem tud megmaradni. Shockley azonban arra is rájött, hogy ha a kristályt megfelelő anyaggal szennyezik, akkor a szennyező atomok a tiltott sávban helyezkednek el és könnyen le tudnak adni egy-egy elektront annak a sávnak, amelyhez közelebb vannak. Amennyiben a szennyező atom energiaszintje a vezetési sáv közelében van, akkor könnyen le tud adni egy elektront, a félvezető vezetési képessége ugrásszerűen megnő. Ezt nevezzük n-tipusú (negatív) félvezetőnek. Ha viszont a szennyező atom energiaszintje a vegyértéksáv közelében van, akkor könnyen vesz onnan fel elektronokat, s az elektronok hiánya, azaz a "lyukak" vezetik az áramot. Ez a p-tipusú (pozitív) félvezető. Shockley 1950-ben megjelent 558 oldalas könyve, az ""Elektronok és lyukak a félvezetőkben" (Electrons and Holes in Semiconductors) mind a mai napig alapmű azok számára, akik meg szeretnék érteni a félvezetők fizikáját.

Shockley ezzel méltán került vissza a tranzisztort feltaláló csapat hármasába, bár már sohasem lettek újra jóba egymással. Shockley tovább foglalkozott a félvezetők belső világának a megértésével és befolyásolásával. 1954-ben már szabadalmat adott be „Forming Semiconductor Devices by Ion Bombardment” címmel, amiben nem mást, mint a félvezetők ionimplantációját írta le, amivel lokálisan lehetett egy szilíciumlapkán p- vagy n- rétegeket létrehozni és ezzel lefektette az integrált áramkörök szilíciumlapkán való előállításának a technológiai alapjait.

John Bardeen, Walter Brattain és William Shockley 1956 december 10-én kapta meg a fizikai Nobel-díjat „a félvezetőkkel kapcsolatos kutatásaikért és a tranzisztoreffektus felfedezéséért”, ahogy a hivatalos indoklás szólt.

Shockley 1956-ban – még a Nobel-díj átvétele előtt – otthagyta a Bell labort és megalapította a Shockley Semiconductor Laboratory céget a Beckman Instruments Inc. divíziójaként a kaliforniai Mountain View-ban. Ezzel az egyike – ha nem a legelső – lett a Szilícium völgy megalapítóinak. Shockley igen keményen kézben tartotta a cég alkalmazottjainak a kiválasztását, mindenkivel pszichológiai tesztet íratott és a fizetéseket is maga állapította meg, amiket – felrúgva a szokásokat – végig nyilvánosságra hozott. Shockley azonban nem volt sem jó üzletember, sem jó menedzser, így hibát hibára halmozott. Arnold Beckmantól azzal a feltétellel kapta meg a laboratórium felállításához szükséges 1 millió dollárt, hogy két éven belül tömeggyártásba viszi a bipoláris tranzisztort. Ezzel szemben Shockley szinte teljesen elhanyagolta ezt a vonalat és a Shockley-diódák gyártására koncentrált, ami később nagy baklövésnek bizonyult. A cég vezetésében egyre diktatórikusabb, sokak szerint paranoiás lett. A helyzeten csak tovább rontott az 1956.november elsejei bejelentés, miszerint elnyerte a Nobel-díjat. Ekkor hónapokat volt távol a cégtől, kihasználva sajtó és a közvélemény érdeklődését, miközben a cégnél egyre romlott a hangulat. Talán ennek is köszönhetően 1957-ben a „hitszegő nyolcak” kiléptek a Shockley Semiconductor Laboratory-ból, majd 1957 augusztusában egyezséget kötöttek Sherman Fairchilddal és 1957. szeptember 18-án megalapították a Fairchild Semiconductor céget. A „hitszegő nyolcak” között olyan személyek voltak, mint Gordon Moore és Robert Noyce, az Intel későbbi alapítói, de a többiek is komoly szellemi potenciállal rendelkeztek. A nyolc kilépőt Shockley nevezte el hitszegő nyolcaknak (traitorous eight) és kijelentette, hogy sohasem lesznek sikeresek. Ebben azonban nagyot tévedett: a Fairchild sikeresen kezdte el a bipoláris tranzisztorok gyártását és igen hamar lekörözte a Shockley Semiconductort. A céget 1960-ban a kanadai Clevile Inc. vette meg, majd 1968-ban az ITT-hoz került, aki véglegesen bezárta azt.

Shockley tehát cégvezetőként nem volt sikeres, de kutató munkáját azért tovább folytatta, 1963-tól a Stanford University professzoraként oktatott és kutatott egészen 1975-ös nyugdíjba vonulásáig. Intelligenciája valóban lenyűgöző volt, s ennek nagy jelentőséget tulajdonított. Talán ez vitte el abba az irányba, hogy idősebb éveiben a Francis Galton, Darwin unokatestvére által kidolgozott eugenika szószólója volt.

Shockley 1989. augusztus 12-én halt meg 79 éves korában, addigra már minden barátját és rokonát elidegenítette magától sajátos tanaival. Egyedül második felesége, Emmy Lanning tartott ki mellette, még saját gyermekei is az újságból tudták meg Nobel-díjas apjuk halálát.

William Shockley minden ellentmondásos tulajdonsága ellenére – Bardeennel és Brattainnel együtt – hatalmas felfedezéssel alakította át a világunkat kutatásaival és eredményeivel. Ne feledjük, a tranzisztor indította meg azt a hihetetlen fejődést, mely aztán a mai, integrált áramkörökbe zsúfolt lehetőségeinket megteremti.
 
                                dr. Bartolits István

Technikatörténeti évfordulók

--------------------------------------------------

Legközelebbi események

HTE Tisztújító Közgyűlés 2020 2020.05.21. 16:00 - 2020.05.21. 18:30
HTE Infokom 2020 2020.11.18. 9:00 - 2020.11.20. 13:00

Kiemelkedő támogatást nyújtó kollektív tagjaink