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William Bradford Shockley Jr. war ein amerikanischer Physiker und Erfinder. Er war der Leiter einer Forschungsgruppe bei Bell Labs, die John Bardeen und Walter Brattain umfasste. Die drei Wissenschaftler wurden 1956 gemeinsam mit dem Nobelpreis für Physik für „ihre Forschungen über Halbleiter und ihre Entdeckung des Transistoreffekts" ausgezeichnet.
Teilweise infolge von Shockleys Versuchen, ein neues Transistordesign in den 1950er und 1960er Jahren zu kommerzialisieren, wurde Kaliforniens „Silicon Valley" zum Zentrum der Elektronikinnovation. Später im Leben, als Professor für Elektrotechnik an der Stanford University, wurde Shockley zum Befürworter von Rassismus und Eugenik. Eine Studie von 2019 in der Zeitschrift Intelligence bescheinigte ihm, der zweitumstrittenste nach Arthur Jensen unter 55 untersuchten Intelligenzforschern zu sein.
Frühen Leben und Ausbildung
Shockley wurde am 13. Februar 1910 für amerikanische Eltern in London geboren und wuchs ab dem dritten Lebensjahr in der Heimatstadt seiner Familie, Palo Alto, Kalifornien, auf. Sein Vater, William Hillman Shockley, war ein Bergbauingenieur, der spekulativ in Bergbau tätig war und acht Sprachen sprach. Seine Mutter, May geb. Bradford, wuchs im amerikanischen Westen auf, absolvierte die Stanford University und war die erste weibliche U.S. Deputy Mining Surveyor. Shockley wurde bis zum Alter von acht Jahren zu Hause unterrichtet, da seine Eltern öffentliche Schulen ablehnten und Shockley eine Neigung zu gewalttätigen Wutausbrüchen hatte. Er graduierte 1927 von der Hollywood High School.
Shockley erwarb seinen Bachelor of Science-Grad vom Caltech im Jahr 1932 und einen Ph.D. vom MIT im Jahr 1936. Der Titel seiner Doktorarbeit war Electronic Bands in Sodium Chloride, ein Thema, das von seinem Doktorvater John C. Slater vorgeschlagen wurde. Nach seiner Promotion schloss sich Shockley einer von Clinton Davisson geleiteten Forschungsgruppe bei Bell Labs in New Jersey an. Die nächsten Jahre waren produktiv für Shockley. Er veröffentlichte eine Reihe grundlegender Arbeiten über Festkörperphysik in Physical Review. 1938 erhielt er sein erstes Patent, „Electron Discharge Device", über Elektronenvervielfacher.
Karriere
Als der Zweite Weltkrieg ausbrach, war Shockley an Radarforschung bei Bell Labs in Manhattan New York City beteiligt. Im Mai 1942 nahm er Urlaub von Bell Labs, um Forschungsdirektor der Anti-Submarine Warfare Operations Group der Columbia University zu werden. Dies beinhaltete die Entwicklung von Methoden zur Bekämpfung von U-Boot-Taktiken durch verbesserte Konvoitechniken, Optimierung von Wasserbomben-Mustern und dergleichen. Dieses Projekt erforderte häufige Reisen ins Pentagon und nach Washington, wo Shockley viele hochrangige Offiziere und Regierungsbeamte traf.
1944 organisierte er ein Ausbildungsprogramm für B-29-Bomberpiloten zur Verwendung neuer Radarzielbomben. Ende 1944 unternahm er eine dreimonatige Rundreise zu Basen rund um die Welt, um die Ergebnisse zu bewerten. Für dieses Projekt verlieh Kriegsminister Robert Patterson Shockley am 17. Oktober 1946 die Medal for Merit.
Im Juli 1945 bat das Kriegsministerium Shockley, einen Bericht über die Frage möglicher Verluste bei einer Invasion des japanischen Festlandes vorzubereiten. Shockley kam zu folgendem Ergebnis:
Falls die Studie zeigt, dass das Verhalten von Nationen in allen historischen Fällen, die mit Japans vergleichbar sind, tatsächlich durchgehend konsistent mit dem Verhalten der Truppen im Kampf war, dann bedeutet dies, dass die japanischen Toten und Verwundeten zum Zeitpunkt der Niederlage die entsprechende Zahl für die Deutschen übertreffen werden. Mit anderen Worten, wir werden wahrscheinlich mindestens 5 bis 10 Millionen Japaner töten müssen. Dies könnte uns zwischen 1,7 und 4 Millionen Verluste kosten, einschließlich 400.000 bis 800.000 Tote.
Dieser Bericht beeinflusste die Entscheidung der Vereinigten Staaten, Atombomben auf Hiroshima und Nagasaki abzuwerfen, was die bedingungslose Kapitulation Japans herbeiführte.
Shockley war der erste Physiker, der eine logarithmische Normalverteilung zur Modellierung des Erstellungsprozesses für wissenschaftliche Forschungspapiere vorschlug.
Entwicklung des Transistors
Kurz nach Kriegsende 1945 bildete Bell Labs eine Festkörperphysik-Gruppe unter der Leitung von Shockley und Chemiker Stanley Morgan, zu der John Bardeen, Walter Brattain, Physiker Gerald Pearson, Chemiker Robert Gibney, Elektronikexperte Hilbert Moore und mehrere Techniker gehörten. Ihre Aufgabe war es, eine Festkörperalternative zu zerbrechlichen Glaskohleröhren-Verstärkern zu finden. Die ersten Versuche basierten auf Shockleys Ideen, ein externes elektrisches Feld auf einen Halbleiter anzuwenden, um dessen Leitfähigkeit zu beeinflussen. Diese Experimente schlugen jedes Mal in allen möglichen Konfigurationen und Materialien fehl. Die Gruppe geriet ins Stocken, bis Bardeen eine Theorie vorschlug, die Oberflächenzustände einbezog, die das Feld daran hinderten, in den Halbleiter einzudringen. Die Gruppe verlagerte ihren Fokus auf die Untersuchung dieser Oberflächenzustände und trafen sich fast täglich, um die Arbeiten zu besprechen. Das Verhältnis der Gruppe war ausgezeichnet, und Ideen wurden frei ausgetauscht.
Im Winter 1946 hatten sie genug Ergebnisse, dass Bardeen eine Arbeit zu den Oberflächenzuständen bei Physical Review einreichte. Brattain begann Experimente, um die Oberflächenzustände durch Beobachtungen zu untersuchen, die gemacht wurden, während helles Licht auf die Halbleiteroberfläche scheint. Dies führte zu mehreren weiteren Arbeiten, eine davon in Zusammenarbeit mit Shockley, die die Dichte der Oberflächenzustände schätzten, um mehr als ausreichend zu sein, um ihre fehlgeschlagenen Experimente zu erklären. Das Arbeitstempo erhöhte sich erheblich, als sie begannen, Punktkontakte zwischen dem Halbleiter und den Leitungsdrähten mit Elektrolyten zu umgeben. Moore baute eine Schaltung auf, die es ihnen ermöglichte, die Frequenz des Eingangssignals leicht zu variieren. Schließlich begannen sie, einige Hinweise auf Leistungsverstärkung zu erhalten, als Pearson, auf Anregung von Shockley hin, eine Spannung auf einen Tropfen Glykol-Borat aufbrachte, der über einem P–n-Übergang platziert war.
Bell Labs-Anwälte entdeckten bald, dass Shockleys Feldeffekt-Prinzip vorweggenommen worden war und dass Geräte, die darauf basierten, 1930 von Julius Lilienfeld patentiert wurden, der sein MESFET-ähnliches Patent am 22. Oktober 1925 in Kanada einreichte. Obwohl das Patent „anfechtbar" erschien, konnte es nicht funktionieren, da die Patentanwälte eine seiner vier Patentanmeldungen nur auf das Bardeen-Brattain-Punktkontakt-Design stützten. Drei weitere Anwendungen behandelten zunächst die elektrolytbasierten Transistoren mit Bardeen, Gibney und Brattain als Erfindern.
Shockleys Name war auf keiner dieser Patentanmeldungen. Dies verärgerte Shockley, der dachte, dass sein Name auch auf den Patenten stehen sollte, da die Arbeit auf seiner Feldeffekt-Idee basierte. Er machte sogar Anstrengungen, um das Patent nur auf seinen Namen schreiben zu lassen, und informierte Bardeen und Brattain über seine Absichten.
Shockley, verärgert, nicht in die Patentanmeldungen aufgenommen zu werden, setzte seine Arbeit im Verborgenen fort, um einen anderen Transistortyp basierend auf Übergängen statt auf Punktkontakten zu bauen. Er erwartete, dass diese Art von Design kommerziell lebensfähiger sein würde. Der Punktkontakt-Transistor, glaubte er, würde sich als zerbrechlich und schwierig herzustellen erweisen. Shockley war auch mit bestimmten Teilen der Erklärung unzufrieden, wie der Punktkontakt-Transistor funktionierte, und konzipierte die Möglichkeit der Minderheitsträger-Injektion.
Am 13. Februar 1948 baute Teamkollege John N. Shive einen Punktkontakt-Transistor mit Bronzekontakten auf der Vorder- und Rückseite eines dünnen Germanium-Keils und bewies damit, dass Löcher durch Massen-Germanium diffundieren konnten und nicht nur an der Oberfläche, wie zuvor angenommen.:153:145 Shives Erfindung löste Shockleys Erfindung des Übergangs-Transistors aus.:143 Ein paar Monate später erfand er einen völlig neuen, erheblich robusteren Transistortyp mit einer Schicht oder einer „Sandwich"-Struktur. Diese Struktur wurde in der Folge bei der überwiegenden Mehrheit aller Transistoren bis in die 1960er Jahre verwendet und entwickelte sich zum Bipolaren Übergangs-Transistor weiter. Shockley gab später zu, dass die Arbeitsweise des Teams eine „Mischung aus Zusammenarbeit und Wettbewerb" war. Er gab auch zu, dass er einen Teil seiner eigenen Arbeiten geheim hielt, bis sein „Hand gezwungen wurde" durch Shives Fortschritt von 1948. Shockley arbeitete eine ziemlich vollständige Beschreibung dessen aus, was er den „Sandwich"-Transistor nannte, und ein erster Proof of Principle wurde am 7. April 1949 erhalten.
Unterdessen arbeitete Shockley an seinem Hauptwerk, Electrons and Holes in Semiconductors, das 1950 als 558-seitiges Werk veröffentlicht wurde. Das Buch enthielt Shockleys kritische Ideen von Drift und Diffusion sowie die Differentialgleichungen, die den Fluss von Elektronen in Festkörperkristallen regeln. Shockleys Diodengleichung wird ebenfalls beschrieben. Dieses bahnbrechende Werk wurde zum Referenztext für andere Wissenschaftler, die an der Entwicklung und Verbesserung neuer Varianten des Transistors und anderer halbleitergestützter Geräte arbeiteten.
Dies führte zu seiner Erfindung des bipolaren „Übergangs-Transistors", der am 4. Juli 1951 auf einer Pressekonferenz angekündigt wurde.
1951 wurde er in die National Academy of Sciences NAS gewählt. Er war einundvierzig Jahre alt; dies war ziemlich jung für eine solche Wahl. Zwei Jahre später wurde er von der NAS als Empfänger des renommierten Comstock Prize for Physics ausgewählt, und er war der Empfänger vieler anderer Auszeichnungen und Ehrungen.
Die daraus resultierende Publizität durch die „Erfindung des Transistors" schob Shockley oft in den Vordergrund, sehr zum Unbehagen von Bardeen und Brattain. Das Management von Bell Labs präsentierte jedoch konsequent alle drei Erfinder als Team. Obwohl Shockley die Aufzeichnungen dort korrigieren würde, wo Reporter ihm die alleinige Erfindung zuschrieben, verärgerte und entfremdete er schließlich Bardeen und Brattain, und er blockierte die beiden im Wesentlichen von der Arbeit am Übergangs-Transistor. Bardeen begann, sich einer Theorie für Supraleitfähigkeit zu widmen, und verließ Bell Labs 1951. Brattain weigerte sich, weiter mit Shockley zu arbeiten, und wurde einer anderen Gruppe zugewiesen. Weder Bardeen noch Brattain hatten viel mit der Entwicklung des Transistors zu tun, das über das erste Jahr nach seiner Erfindung hinausging.
Shockley Semiconductor
1956 zog Shockley von New Jersey nach Mountain View, Kalifornien, um das Shockley Semiconductor Laboratory zu gründen, um näher bei seiner kranken und älteren Mutter in Palo Alto, Kalifornien zu leben. Das Unternehmen, eine Abteilung von Beckman Instruments, Inc., war die erste Einrichtung, die an Silizium-Halbleiter-Geräten in dem arbeitete, was als Silicon Valley bekannt werden sollte.
Nachdem er 1956 den Nobelpreis erhielt, änderte sich sein Verhalten, was sich in seinem zunehmend autokratischen, unberechenbaren und schwer zufriedenstellenden Managementstil zeigte. Shockley wurde zunehmend herrschsüchtig und paranoid. In einem bekannten Fall forderte er Lügendetektortests an, um den „Schuldigen" zu finden, nachdem eine Unternehmensekretärin einen leichten Schnitt erlitt. Ende 1957 traten acht von Shockleys Forschern, die als die „treulosen acht" bekannt werden sollten, zurück, nachdem Shockley entschieden hatte, die Forschung in siliziumgestützten Halbleitern nicht fortzusetzen. Sie gründeten Fairchild Semiconductor, ein Verlust, von dem sich Shockley Semiconductor niemals erholte und drei Jahre später von einem anderen Unternehmen gekauft wurde. Im Laufe der nächsten 20 Jahre würden mehr als 65 neue Unternehmen über Verbindungen zu Fairchild entstehen.
Eine Gruppe von etwa dreißig Kollegen, die sich seit 1956 regelmäßig getroffen hatten, trafen sich 2002 erneut an der Stanford, um sich an ihre Zeit mit Shockley und seine zentrale Rolle bei der Entfachung der Informationstechnologie-Revolution zu erinnern. Der Organisator der Gruppe sagte: „Shockley ist der Mann, der das Silizium ins Silicon Valley brachte."
Ansichten zu Rasse und Eugenik
Nachdem Shockley seine Rolle als Direktor von Shockley Semiconductor verließ, trat er der Stanford University bei, wo er 1963 zum Alexander M. Poniatoff Professor of Engineering and Applied Science ernannt wurde, eine Position, in der er bis zu seiner Pensionierung als Professor Emeritus 1975 blieb. In dieser Position interessierte sich Shockley für Fragen zu Rasse, menschlicher Intelligenz und Eugenik. Er dachte, dass diese Arbeit für die genetische Zukunft der menschlichen Spezies wichtig war, und kam zu der Ansicht, sie als die wichtigste Arbeit seiner Karriere zu beschreiben, obwohl das Äußern seiner Ansichten seinem Ruf Schaden zufügte. Shockley argumentierte, dass eine höhere Reproduktionsrate unter den weniger Intelligenten eine dysgenetische Wirkung hatte und dass ein Rückgang der durchschnittlichen Intelligenz letztendlich zu einem Rückgang der Zivilisation führen würde. Er behauptete auch, dass Schwarze genetisch Weißen auf intellektueller Ebene unterlegen waren. Zum Beispiel in einer Debatte mit Psychiaterin Frances Cress Welsing M.D. und auf Firing Line mit William F. Buckley Jr.:
Meine Forschung führt mich unweigerlich zu der Ansicht, dass die Hauptursache der intellektuellen und sozialen Defizite des amerikanischen Negers erblich und rassengenisch bedingt ist und daher durch praktische Verbesserungen der Umgebung zu einem großen Teil nicht behoben werden kann.
Shockleys Schriften und Vorträge zu diesem Thema basierten teilweise auf den Schriften des Psychologen Cyril Burt und wurden vom Pioneer Fund finanziert. Shockley schlug auch vor, dass Personen mit IQs unter 100 bezahlt werden sollten, um sich einer freiwilligen Sterilisierung zu unterziehen. Anthropologe Roger Pearson verteidigte Shockley in einem Selbstverlagsbuch, das gemeinsam mit Shockley verfasst wurde. Professor Edgar G. Epps von der University of Wisconsin–Milwaukee argumentierte, dass „William Shockleys Position sich für rassistische Interpretationen eignet".
1981 reichte Shockley eine Verleumdungsklage in Atlanta gegen die Atlanta Constitution ein, nachdem ein Wissenschaftsjournalist, Roger Witherspoon, Shockleys Befürwortung eines freiwilligen Sterilisationsprogramms mit den Menschenversuchen der Nazis verglich. Der Fall brauchte drei Jahre, um vor Gericht zu gehen. Shockley gewann die Klage, erhielt aber nur einen Dollar an Schadensersatz und keinen Strafschadensersatz. Shockleys Biograph
