William Shockley

William Bradford Shockley (13. helmikuuta 1910 – 12. elokuuta 1989) oli yhdysvaltalainen fyysikko, tiedemies ja keksijä. Hän sai vuonna 1956 John Bardeenin ja Walter Houser Brattainin kanssa Nobelin fysiikanpalkinnon transistorin keksimiseen johtaneesta tutkimuksesta puolijohdeteknologian parissa. Shockleyn yritykset ja toimet uuden transistoriteknologian kaupallistamiseksi 1950- ja 1960-luvuilla johtivat Kalifornian osavaltiossa sijaitsevan Piilaakson syntymiseen. Nykyisin Piilaakso on keskittymä, joka käsittää useita puolijohdeteollisuuden yrityksiä. Myöhemmin Shockley toimi professorina Stanfordin yliopistossa ja hänestä tuli eugeniikan puolestapuhuja.

Varhaiset vuodet

Perhe ja syntymä 
William Shockley syntyi 13. helmikuuta 1910 Lontoossa. Hänen isänsä, amerikkalainen William Hillman Shockley, toimi kaivosinsinöörinä ja puhui kahdeksaa eri kieltä. William Shockleyn äiti, amerikkalainen Mary o.s. Bradford, oli valmistunut Stanfordin yliopistosta ja myös hän työskenteli kaivosteollisuudessa Nevadassa. Kolme vuotta Shockleyn syntymän jälkeen perhe palasi takaisin Yhdysvaltoihin vuonna 1913.

Koulu- ja opiskeluvuodet 
Shockley oli isänsä puolelta suoraan Mayflower-uudisraivaajien jälkeläinen ja hänet koulutettiin kotona noin kymmenen vuoden ikäiseksi. Jälkeenpäin on ajateltu, että Shockleyn vaikeudet tulla toimeen kollegoidensa tai esimiestensä kanssa olivat peräisin näiltä ajoilta. Shockleyn turhautuminen toisiin ihmisiin on myös voinut olla peräisin siitä, että vuosia hän oli esimerkiksi luokkansa älykkäin oppilas. Poikana hän oli myös yksi lahjakkaista lapsista, joita amerikkalainen psykologi Lewis Terman tutki edistyksellisissä, mutta rodullisesti arveluttavissa älykkyystesteissä.

William Shockley kävi koulunsa Kaliforniassa ja hän valmistui luonnontieteen kandidaatiksi California Institute of Technologystä vuonna 1932. Myöhemmin Shockley opiskeli Massachusetts Institute of Technologyssa (MIT) professori John C. Slaterin johdolla. Shockley väitteli MIT:ssä fysiikan tohtoriksi vuonna 1936 aiheena energiavyörakenne natriumkloridissa.

Tieteellinen ura, ura teollisuudessa, työ ja saavutukset

Tutkijana Bellin puhelinlaboratoriossa 
Heti tohtoriksi väiteltyään vuonna 1936 Shockley siirtyi tutkijaksi fysiikan tutkimuslaitokselle Bell Labsiin. Hänen työnään ja tutkimuskohteinaan olivat muun muassa elektroni- eli tyhjiöputkien sekä elektronikertojien suunnittelu, tutkan kehitys, kiinteän olomuodon fysiikka, magnetismi ja puolijohteet.

Toiminta toisen maailmansodan aikana 
1930-luvun lopulla suuri osa kansainvälisestä fysiikan tiedeyhteisöstä työskenteli ydinfysiikan ja fissioreaktion parissa. Myös Shockley ja hänen ystävänsä, James Fisk, määrättiin tutkimaan fission mahdollisuutta energianlähteenä. He onnistuivatkin suunnittelemaan yhden maailman ensimmäisistä ydinreaktoreista. Heidän työnsä raportti lähetettiin välittömästi Washingtoniin, missä hallitus luokitteli työn heti salaiseksi ja piti sen salassa jopa omilta tiedemiehiltään. Viranomaiset myös estivät Fiskiä ja Shockleytä saamasta työstään patenttia. Manhattan-projektin fyysikot kuulivat reaktorista vasta sodan jälkeen. Samanaikaisesti he olivat kuitenkin kehittäneet ja keksineet samat asiat itse.

Toisen maailmansodan aikana Shockley osallistui myös tutkan kehitykseen ja tutkimukseen Whippanyn laboratoriossa, New Jerseyssä, kunnes vuonna 1942 hän siirtyi tutkimusjohtajaksi Columbian yliopiston sodan tutkimuslaitokselle. Hän johti tutkimusryhmää, jonka tehtävänä oli tutkia sukellusveneiden torjuntaa sodankäynnissä. Shockleyn tekemät laskelmat paransivat liittoutuneiden sukellusveneiden tekemien hyökkäysten tarkkuuksia saksalaisia sukellusveneitä vastaan. Vuonna 1944 Shockley siirtyi sotaministeriön asiantuntijaksi. Shockley palasi takaisin Bellin laboratorioon vuonna 1945.

Transistorin keksiminen

Tausta 
Ennen transistorin keksimistä esimerkiksi puhelinverkoissa käytettiin vahvistimina elektroniputkia. Elektroniputkien ongelmina oli kuitenkin suuri fyysinen koko, korkea hinta ja tehonkulutus, jonka takia ne myös lämpesivät käytössä voimakkaasti. Edelleen elektroniputket olivat epäluotettavia ja ne hajosivat helposti. Tästä syystä Yhdysvaltojen suurin teleoperaattori AT&T kääntyi oman tutkimuslaitoksensa eli Bellin puhelinlaboratorion puoleen ja pyysi tätä kehittämään elektroniputken korvaavan komponentin vahvistinkäyttöön puhelinverkoissa.

Pistekontaktitransistori 
Jo ennen toista maailmansotaa, Shockley ja fyysikko Walter Brattain olivat yrittäneet rakentaa puolijohdevahvistimen, mutta he epäonnistuivat. Pian toisen maailmansodan jälkeen elektroniputken korvaamiseksi jollain toisella komponentilla Bellin puhelinlaboratoriossa perustettiin uudelleen tutkimusryhmä, jonka vetäjäksi valittiin William Shockley. Hän keräsi ryhmään useita kyvykkäitä tiedemiehiä, joista avainhenkilöitä olivat fyysikot John Bardeen ja Brattain.

Shockleyn tavoitteena oli vahvistin, jossa puolijohteessa kulkevan sähkövirran suuruutta voitaisiin säätää sähkökentällä. Laitetta ei saatu toimimaan eikä sähkökenttä näyttänyt tunkeutuvan aineeseen, jolloin Bardeen päätteli, että varaukset puolijohteen pinnassa estivät kentän tunkeutumisen syvemmälle puolijohteeseen. Bardeen ja Brattain työskentelivät tämän ongelman ratkaisemiseksi käytännössä ilman Shockleyta, kun he onnistuivat puolivahingossa saamaan ensimmäisen transistorin toimimaan 16. joulukuuta 1947. Ensimmäisenä transistorivahvistimena toimi germaniumpala, johon toisiaan lähelle oli kytketty kultakontaktit. Tällaista transistoria kutsuttiin pistekontaktitransistoriksi. Komponentti nimettiin Bellin laboratoriossa transistoriksi siksi, että laitteessa virta ohjasi jännitettä, eli kyseessä oli transresistanssi (siirtoresistanssi). Transistori on siis lyhenne transresistanssista.

Shockley oli ylpeä Bardeenin ja Brattainin saavutuksesta kehittää pistekontaktitransistori. Toisaalta hän oli raivoissaan, koska he olivat onnistuneet siinä missä hän oli itse epäonnistunut.

Liitostransistori 
Shockley oli eri mieltä Bardeenin kanssa miten heidän transistorinsa toimi ja sanoi positiivisesti varattujen aukkojen kulkevan myös materiaalin läpi eikä vain sen pintakerroksessa. Tammikuussa 1948 Schockley kehitti eri tyyppisen liitostransistorin, joka perustui Russell Ohlin löytämään p-n-liitokseen. Helmikuussa 1948 John Shive sai aikaan transistori-ilmiön kärkiliitosten ollessa materiaalin vastakkaisilla puolilla eikä vierekkäin, joka osoitti aukkojen kulkevan materiaalin läpi.

Pistekontaktitransistorin keksimisen jälkeen tammikuussa 1948 Shockley pystyi selittämään elektronien liikkeen transistorissa. Liitostransistori koostui kolmesta puolijohdekerroksesta ja joka nopeasti syrjäytti kärkitransistorin kokonaan. Liitostransistorin etuna oli se, ettei epäluotettavia pistekontakteja tarvittu. Liitostransistori myös soveltui massatuotantoon.

Transistorin julkaiseminen, patentointikiistat ja Nobelin palkinto 
Patenttiasioiden takia Bellin laboratorio ei julkistanut transistorin keksimistä ennen kuin 30. kesäkuuta 1949 pidetyssä lehdistötilaisuudessa. Keksinnön arvoa ei heti julkisuudessa täysin ymmärretty, sillä esimerkiksi New York Times -lehdessä transistorin keksimisestä oli vain pieni artikkeli lehden keskisivuilla.

Bellin laboratorio oli myös hankalassa tilanteessa. Sen johto tiesi, että Bardeen ja Brattain olivat keksineet ja suunnitelleet ensimmäisen transistorin, eli pistekontaktitransistorin, itse, käytännössä ilman Shockleyta. Toisaalta Shockley oli tutkimusryhmän johtaja ja tuntui sopimattomalta, ettei hän saisi keksinnöstä kunniaa, varsinkin kun hän oli kehittänyt jopa paremman transistorin, eli liitostransistorin. Tämän vuoksi laboratorion johto antoi määräyksen että jokaisessa kuvassa transistorin keksijöistä tulisi olla mukana William Shockley. Shockleyn tulisi myös toimia asiassa virallisena puhemiehenä. Tämä sopi Shockleylle, kun taas Bardeen ja Brattain eivät olleet kiinnostuneita julkisuudesta. Joka tapauksessa vain noin vuoden kuluttua transistorin keksimisestä Bardeenin ja Brattainin välit Shockleyn kanssa heikkenivät voimakkaasti eivätkä Bardeen eikä Brattain enää työskennelleet transistorin jatkokehityksessä. Brattain myös kieltäytyi työskentelemästä enää Shockleyn kanssa ja Bardeen irtisanoutui.

Kun Bellin patenttiasiamiehet alkoivat työskennellä transistorin patenttihakemuksen jättämiseksi, he yllättäen löysivät lähes tuntemattomaksi jääneen Julius Lilienfeldin hakeman patentin, josta kävi selväksi, että monet Shockleyn esittämät ideat olivat jo entuudestaan odotettuja ja niitä oli patentoinut Lilienfeld. Lopulta kävi ilmi, että Bardeenin ja Brattainin ideoille voitiin hakea patenttia, mutta ei enää Shockleyn. Myöhemmin siis Shockley kuitenkin keksi liitostransistorin, josta hän sai patentin, kun taas Bardeen ja Brattain saivat patentin pistekontaktitransistorista.

Shockley ei missään vaiheessa yrittänyt saada kunniaa transistorin keksimisestä Brattainilta ja Bardeenilta, mutta hän toimi voimakkaasti sen puolesta, että hänet muistettaisiin myös transistorin keksimisestä. Shockleyn nimeä ei ole kuitenkaan alkuperäisessä pistekontaktitransistorin patenttihakemuksessa.

Vuonna 1956 Shockley sai fysiikan Nobel-palkinnon yhdessä Bardeenin ja Brattainin kanssa työstään puolijohteiden parissa ja transistorin keksimisestä. Nobel-esityksessään hän antoi täyden kunnian Brattainille ja Bardeenille pistekontaktitransistorin keksimisestä.

Shockley Semiconductor 
 
1950-luvun puolivälissä Shockley palasi takaisin Kaliforniaan. Syynä tähän oli erimielisyydet Bellin johdon kanssa, kuten kiistat keksijöiden nimistä transistoripatentissa. Shockleyn esteenä etenemiselle Bellissä on kuitenkin pidetty hänen omaa hiostavaa johtamistyyliään. Shockley irtisanoutui tehtävästään Transistorifysiikan laitoksen johtajana vuonna 1955.

Ensimmäiset transistorit käyttivät puolijohdemateriaalina germaniumia. Shockley kuitenkin ymmärsi, että pii tulisi korvaamaan germaniumin lopulta puolijohdemateriaalina transistoreissa. Texas Instruments oli aloittanut piistä valmistettavien transistorien tuotannon vuonna 1954 ja Shockley ajatteli pärjäävänsä asiassa paremmin: hän perusti Shockley Semiconductor Laboratory of Beckman Instruments -nimisen yrityksen Mountain View’hen Kaliforniaan vuonna 1955 yrittäjä Arnold Beckmannin kanssa. Shockleysta tuli yrityksen toimitusjohtaja. Yrityksen toiminnan tarkoituksena oli puolijohdekomponenttien ja uuden transistorin tutkimus, kehitys ja valmistus. Shockley palkkasi yritykseensä ryhmän nuoria lahjakkaita tiedemiehiä ja insinöörejä.

Transistoreiden ohessa Shockley sai idean diodista, joka koostuisi neljästä kerroksesta ja jota voitaisiin käyttää kytkimenä yksinkertaistamaan suuria ja monimutkaisia puhelinkytkinverkkoja. Tällaista diodia kutsutaan nykyisin Shockley-diodiksi. Shockley tuli vakuuttuneeksi, että hänen keksimänsä uusi diodi olisi yhtä tärkeä keksintö kuin transistori ja hän piti koko diodi-projektin salaisena, jopa omassa yrityksessään. Shockleyn häilyvä, itsevaltainen ja arvaamaton johtamistyyli yhdistettynä vainoharhaisuuteen tekivät hänestä aivan liian hankalan yritysjohtajan. Kun Shockley päätti lopettaa piihin perustuvan puolijohdetutkimuksen, parhaat työntekijät lopulta kyllästyivät ja perustivat uuden yrityksen nimeltä Fairchild Semiconductor vuonna 1957. Shockley kutsui näitä henkilöitä ”kahdeksaksi petturiksi” ja totesi, etteivät nämä koskaan tulisi menestymään. Kyseessä olevat kahdeksan henkilöä jättivät myöhemmin Fairchildin ja perustivat omia yrityksiään, kuten Intel, Advanced Micro Devices ja niin edelleen. Täten Shockley antoi siis alkusysäyksen Piilaakson syntymiselle Kaliforniassa.

Shockley ei koskaan kyennyt tekemään Shockley-diodista kaupallista menestystä, vaikka sen tekniikka ja toiminta lopulta ymmärrettiin ja laite saatiin tuotantoon 1960-luvulla.Integroitujen piirien tulo markkinoille mahdollisti kytkin-funktion tarvitseman usean transistorin integroinnin yhdelle ja samalle piipalalle, jolloin Shockley menetti oman ratkaisunsa edun. Shockley Semiconductor myytiin yritykselle Clevite Transistor huhtikuussa 1960.

William Shockley ei missään vaiheessa rikastunut puolijohteilla. Sen sijaan Shockley Semiconductorista lähteneet kollegat ja Shockleyn alun perin palkkaamat tiedemiehet ja insinöörit rikastuivat nopeasti. Ilkikurisesti nykyisin eniten sekä digitaalisissa logiikka- että muistipiireissä käytössä oleva transistorityyppi on niin sanottu kanavatransistori. Shockleyn alkuperäisenä tavoitteena oli nimenomaan ollut kanavatransistorin kaltainen laite. Hän ei kuitenkaan missään vaiheessa valmistanut sellaista omassa yrityksessään.

Professorina Stanfordin yliopistossa 
Shockley Semiconductor -yrityksen epäonnistuttua saamaan suurta kaupallista menestystä Shockley siirtyi professoriksi ja opettajaksi Stanfordin yliopistoon vuonna 1963. Hän oli erinomainen opettaja ja hän oli tutkinut kuinka opettaa luovuutta ja ongelmanratkaisua. Hän myös työskenteli julkisissa kouluissa tarkoituksenaan auttaa opettajia opettamaan tiedettä.

Lausunnot roduista ja eugeniikasta 
Stanfordin yliopistossa työskennellessään Shockley alkoi pitää puheita väestönkasvun ongelmista. Vuonna 1963 hän piti Gustavus Adolphus Collegessa Minnesotassa puheen, jossa hän esitti, vähiten lahjakkaiden ihmisten lisääntyvän nopeimmin, kun taas lahjakkain osa väestöstä käytti syntyvyyden säännöstelyä ja sai vähemmän lapsia. Shockleyn mukaan ihmiskunnan tulevaisuus oli uhattuna, koska pienemmän älykkyysosamäärän omaavat ihmiset saivat enemmän jälkeläisiä kuin ihmiset, joilla oli korkea älykkyysosamäärä. Tämä taas johtaisi lopulta ihmiskunnan älykkyysosamäärän alenemiseen ja sivilisaation alasajoon.

Shockley väitti myös useita vuosia valkoisten olevan mustia geneettisesti parempia, mistä häntä paheksuttiin ja halveksuttiin laajasti. Hänen mielestään ihmisille, joilla oli matala älykkyysosamäärä tai jotka kantoivat geneettisiä sairauksia, tulisi maksaa, jotta he suostuisivat sterilisaatioon. Shockley itse piti työtään tärkeänä ihmiskunnan genetiikan tulevaisuuden kannalta ja piti tätä tutkimusta oman uransa tärkeimpänä osa-alueena.

Biologit ja geneetikot lyttäsivät Shockleyn teoriat ja huomauttivat, että eugeniikka oli rasistinen ajatelma, jota natsit olivat käyttäneet toisessa maailmansodassa. Eugeniikka oli myös vailla tieteellistä pohjaa. Shockleytä vastaan hyökättiin lehdistössä, televisiossa ja tieteellisissä julkaisuissa. Lopulta Shockley ei voinut enää esiintyä julkisesti ilman, että mielenosoittajat olisivat tulleet paikalle.

Vuonna 1981 Atlanta Constitution -lehden toimittaja vertasi Shockleyn näkemyksiä Adolf Hitlerin vastaaviin ja Shockley haastoi lehden oikeuteen kunnianloukkauksesta. Shockley voitti oikeudenkäynnin ja lehti tuomittiin vahingonkorvauksiin, mutta vain yhden dollarilla. Hän myös luovutti spermaa Robert Klark Grahamin perustamaan spermapankkiin, jota mediassa kutsuttiin ”Nobel-palkinto spermapankiksi”. Pankin tarkoituksena oli jatkaa ihmiskunnan parhaita geenejä ja Shockleyn tahtona oli taata omien geeniensä jatkumo.

Viimeiset vuodet 
Viimeisinä vuosinaan Shockley oli parjattu ja unohdettu ja hänen maineensa oli riekaleina. Hän vetäytyi kotiinsa Stanfordin yliopiston kampukselle ja eristäytyi kaikista muista ihmisistä paitsi vaimostaan. Shockley oli eronnut ensimmäisestä vaimostaan vuonna 1955 ja mennyt uusiin naimisiin joitakin kuukausia myöhemmin Emmy Lanning Shockleyn kanssa, joka toimi psykiatrisena sairaanhoitajana. Shockleyllä oli vain joitakin ystäviä ja viimeisinä vuosina hänen vaimonsa oli käytännössä hänen ainoa ystävänsä. Hän ei ollut nähnyt yhtä poikaansa yli 20 vuoteen, hän puhui harvoin toisen poikansa kanssa tai oli yhteydessä tyttäreensä. Shockley kuoli vuonna 1989 eturauhaussyöpään. Hänen lapsensa lukivat hautajaisista lehdestä.

Kunnianosoitukset ja palkinnot 
Shockley sai työstään useita palkintoja:
 Shockley sai Medal for Merit -mitalin vuonna 1946 työstään sotaministeriössä.
 Hän vastaanotti Morris Leibmann Memorial Prize of the Institute of Radio Engineers -palkinnon vuonna 1952.
 Vuonna 1953 hän sai Oliver E. Buckley Solid State Physics Prize of the American Physical Society -palkinnon.
 Vuonna 1954 hän vastaanotti Cyrus B. Comstock Award of the National Academy of Sciences -palkinnon.
 Vuonna 1956 Shockley sai fysiikan Nobel-palkinnon yhdessä entisten Bellin laboratorion kollegoidensa John Bardeenin ja Walter H. Brattainin kanssa työstään puolijohteiden parissa ja transistorin keksimisestä.
 Vuonna 1963 hänet valittiin Holley Medal of the American Society of Mechanical Engineers -mitalin vastaanottajaksi. 
 Shockley valittiin kunniatohtoriksi Pennsylvanian yliopistossa, Rutgersin yliopistossa New Jerseyssä ja Gustavus Adolphus Collegessa Minnesotassa. 
 Vuonna 1980 hän sai Maurice Liebman Memorial -palkinnon IRE:ltä (Institute of Radio Engineers, nykyisin Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)).
 Vuonna 1999 Time-lehdessä valittiin sata tärkeintä 1900-luvulla elänyttä ihmistä, ja Shockley valittiin yhdeksi heistä.

Patentit 
Shockleyllä on työstään yli 50 patenttia. Alla on lueteltu joitakin tärkeimpiä. 
 U.S. Patent 2502488, Semiconductor Amplifier, Apr. 1950. Hänen ensimmäinen myönnetty patenttinsa liittyen transistoreihin. 
 U.S. Patent 2569347,Circuit element utilizing semiconductive material, Sept. 1951. Hänen ensimmäiseksi hakemansa patentti liittyen transistoreihin (patenttia haettu ensimmäisen kerran 26.6.1948). 
 U.S. Patent 2655609, Bistable Circuits, Oct. 1953. Piiriä käytetty tietokoneissa. 
 U.S. Patent 2787564, Forming Semiconductive Devices by Ionic Bombardment, Apr. 1957. Patentti liittyen puolijohdekomponenttien prosessointiin ja valmistukseen. 
 U.S. Patent 3031275, Process for Growing Single Crystals, Apr. 1962. Patentti liittyen puolijohdeprosessiin, tarkemmin yksikiteisten puolijohdemateriaalien prosessointiin. 
 U.S. Patent 3053635, Method of Growing Silicon Carbide Crystals, Sept. 1962. Patentti piin käytöstä puolijohdeprosessoinnissa.

Merkitys 
Shockleyn, Bardeenin ja Brattainin kehittämät puolijohdekomponentit syrjäyttivät nopeasti aikaisemmin samaan tarkoitukseen käytetyt elektrodiputket.

Julkaisut 
Shockley oli tekijänä useissa tieteellisissä ja teknisissä julkaisuissa. Alla joitakin ennen toista maailmansotaa. 
 R. P. Johnson and W. Shockley, "An Electron Microscope for Filaments: Emission and Adsorption by Tungsten Single Crystals," Physical Review 49, s. 436–440, 1936.
 J. C. Slater and W. Shockley, "Optical Absorption by the Alkali Halides," Physical Review 50, s. 705–719, 1936.
 W. Shockley, "Electronic Energy Bands in Sodium Chloride," Physical Review 50, s. 754–759, 1936.
 W. Shockley, "The Empty Lattice Test of the Cellular Method in Solids," Physical Review 52, s. 866–872, 1937.
 W. Shockley, "On the Surface States Associated with a Periodic Potential," Physical Review 56, s. 317–323, 1939.
 J. Steigman, W. Shockley and F. C. Nix, "The Self-Diffusion of Copper," Physical Review 56, s. 13–21, 1939.

Kirjallisuus 
Alla kirjoja, joissa William Shockley oli tekijänä.
 W. Shockley, Electrons and holes in semiconductors, with applications to transistor electronics. Krieger, 1956. ISBN 0-88275-382-7.
 W. Shockley and W.A. Gong, Mechanics. Charles E. Merrill Books, Inc., 1966.
 W. Shockley and R. Pearson, Shockley on Eugenics and Race: The Application of Science to the Solution of Human Problems. Scott-Townsend, 1992. ISBN 1-878465-03-1.
Alla kirjoja William Shockleystä. 
 M. Riordan and L. Hoddeson, Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age. W. W. Norton & Company, 1997. ISBN 0-393-31851-6. 
 J. Shurkin, Broken Genius: The Rise and Fall of William Shockley, Creator of the Electronic Age. Palgrave Macmillan, 2006. ISBN 978-1-4039-8815-7.
 W. H. Tucker, The funding of scientific racism: Wickliffe Draper and the Pioneer Fund. University of Illinois Press, 2007. ISBN 978-0-252-07463-9.

Lähteet

Viitteet

Yhdysvaltalaiset fyysikot
Nobelin fysiikanpalkinnon saajat
Vuonna 1910 syntyneet
Vuonna 1989 kuolleet
Seulonnan keskeiset artikkelit