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贝尔实验室的半导体研究－晶体管的发明[*]——兼论战略研究，本文主要内容关键词为：贝尔论文,晶体管论文,论战论文,半导体论文,实验室论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 导言
1946年，贝尔实验室决定开展半导体研究，组织了一群极有才能的科学家在科学前沿领域工作。1948年发明了点接触晶体管，1951年发明了结接触晶体管。1953年，诺贝尔物理学奖授予了晶体管的三名主要发明者：W.肖克利、J.巴丁和W.布拉顿。
晶体管的发明是本世纪最伟大的发明之一，它深刻地改变了人类的技术发展的进程和面貌，充分显示出科学研究的重要作用。
晶体管的发明常常被看作是科学研究导致技术发明的典型实例，因为它的理论基础可以追溯到1931年A.Wilson的能带理论。由此，常常被用来支持一个流传很久的影响深远的观点：科学发现导致技术发明，技术发明引起新工业的产生；科学发现要等一段时间才能得到实际应用，因此支持长远的基础研究总是值得的，不能基于经济考虑。[（1）]但是，晶体管的发明又被看作是需求导向的牵引，因为通讯工业的发展使替代真空管成为必需。[（2）]从事后简化的逻辑看，这两种看法都能找到根据。因此，更重要的问题是，在实际的进展中，科学推力和需求拉力之间的作用机制是靠什么实现的，或者说科学研究是怎样选择和组织的。由此，我们可以正确认识科学研究在技术发展中所发挥的作用，以及如何在某一目标下有效地决策和组织科学研究。
因此，本文从科学研究的决策与组织的角度出发，对贝尔实验室的半导体研究做一探讨，说明科学研究是如何与技术发明联系在一起的，由此进一步论述从某一实体（企业或国家）发展的战略目标出发所选择和组织的科学研究——战略研究的性质。
2 贝尔实验室的半导体研究及晶体管的发明
2.1 背景
半导体在19世纪30年代就发现了，它有一系列不同于导体的奇特性质。1875年，Braun发现了半导体的整流作用，从此，用金属和半导体压合在一起的晶体探测器成为具有广泛用途的半导体装置，但是对整流器的理论解释一直缺乏。从本世纪开始，由于真空管技术的发展，晶体探测器失去了优势。虽然这时，解释晶体探测器的各种理论纷纷出现，但是实验没有确切的同一性证据，因为样品缺乏均匀性，而半导体的导电性、光导性和机械强度等性质对纯度有极强的敏感性。这样，晶体探测器没有得到改进。二战期间，由于雷达的出现，高频探测成为一个重要问题，而真空管无法满足这个要求，于是晶体探测器又受到重新关注，硅和锗开始用于研制雷达检测器（贝尔实验室的许多科学家参加了这方面的研究）。战时科研人员的许多努力都集中在改进不可靠的硅装置上。在这些努力中，普度大学和康乃尔大学的科学家发明了纯粹晶体的生长技术和添杂技术，这使得后来用性质优良的样品制造P－N结成为可能。在实践中，科学家们普遍认识到：对所使用材料的深入理解是改进装置的一个重要因素。
另一方面，本世纪初，由薛定锷、海森堡和狄拉克等人建立的量子力学蓬勃发展，使得对物质的解释深入到微观层次。1931年A.Wilson提出能带理论，用于解释固体的性质。但是这个理论并没有预言晶体管的存在，只是为实验科学家解释实验问题提供了模型。它包含着对半导体基本要素的理解，但是还不是一个全面的理解（如它忽视了对晶体管起重要作用的最小载流子）。因此，这一理论在建立十年间，并没有引起重视，很少有人用它解释晶体探测器，当时只是许多理论中的一个。[（3）]
在二战结束前期，对于半导体的研究积累很多，孕育着突破。在这一时期，贝尔实验室在用量子力学研究固体性质方面已持续了多年，在半导体探测器方面也做了大量的工作，并掌握了新发明的纯粹晶体的生长技术和添杂技术。
2.2 决策和组织
1945年夏季，在战争期间参加军事技术研制任务的肖克利回到贝尔实验室。基于多年对通讯技术的研究经验，他认为贝尔实验室应该加强固体物理的研究工作，坚信这会给通讯技术带来新的发展。他把自己的设想提议给研究部主任MJ.凯利，并与一些人员进行了交流。这个设想得到凯利的大力支持。因为用电联结（开关或放大器）通讯以改变缺陷渐大的机械联结的设想已在凯利心中萦绕近10年之久，很可能他也想过开发半导体器件是可行的。[（4）]于是，1945年贝尔实验室开始组织半导体固体物理研究项目。组织这个项目研究的原则是把有才能的科学家组织成一个多科学的研究集体（有些还是从外面招募而来的），分两个小组：（1）固体物理组，由肖克利和S.O.Morgan领导，动员布拉顿和Pearson参加，还有一名物理化学家和一名电路专家，又从外面聘请了巴丁。这样的组成是相信通过对同一问题感兴趣的不同专家的交流、接触，会加快对问题的认识；（2）冶金组：集中在制造纯晶体和探测器的技术。两个组有一定的交叉，即把制造晶体的技术产生的特殊有前景的材料与理论模型相结合。治金组最初做的材料是锗，固体组研究最初集中在锗，而后扩大到硅。[（5）]
值得指出的是，晶体管的发明并不是研究项目预先就设定好的特殊目标。选择的研究目标是对固体（特别是半导体）物理学前沿的深入理解，认为在这个领域取得进展可能会带来很广的应用前景，对一系列通讯技术的改进是很有成效的。也就是说，研究项目的目标不完全是以发明实用技术为出发点。但是，这不是说，没有想到可能的应用前景。在早期的项目论证中，用“例如”一词提到了可能的前景有放大器、检测器和热电装置。[（6）]事实上，这个项目带来的应用前景比想到的还广泛。
尽管研究目标定在知识的进展，但是研究的操作应该有一个突破的具体目标。在这点上，肖克利的作用无疑是具有感染力的。他是一个既有理论功底，又有实践兴趣的出色科研领导。他深信，通过研究，实现放大器的研制是可能的。这是一个把科学研究与工业技术需求结合在一起的恰当目标。因为半导体研究的主要目的就是克服真空管特有的不能放大高频信号的弱点。这一目标显然和AT＆T的目标一致。但是，能否实现放大作用，如果能，怎样实现却是不确定的。
最初的进展是有关放大器知识的积累。肖克利从理论上指出，放大作用是可能的。但是怎样达到这一点，并不清楚。因而决定研究方向不是如何研究放大器，而是加深对半导体中电子流运动规律的了解。肖克利发展了Wilson的工作，预言了场致效应的存在，提出对半导体薄膜施加电场以控制电流。但是，早期对锗的实验没有观测到这种效应。巴丁在解释这种现象时提出了表面态存在性质，指出克服表面束缚，就可以使电流放大。他和布拉顿通过检验表面态理论的实验，发现了使半导体传导率发生变化的新方法，即在适当的结点导入电流。进一步解释这些实验，发现了最小载流子的重要性，肖克利据此设计出结接触晶体管。之后，由S.O.Morgan领导组成一个技术开发组。随着半导体技术的成熟，晶体管走向商业化。同时，肖克利和巴丁等人的研究，在晶体管发明之后被广泛用于其他技术的研究。[（7）][（8）]
晶体管的发明充分显示了科学研究的探索性本质，不仅最初没人能预测出结果，而且没人能预测到理论和实验的进展。它不是象事后所说的从几个研究路径选择了一个较好的路径，而是随着研究的进行，不断变换思路，不确定性慢慢排除，技术路线渐渐明确。这靠的是研究小组中科学家之间有效的接触：通过充分的信息交流，互相深入了解对方的工作。而这又靠的是科学自由研究的传统：让科学家自己去把握、选择信息，按自己的洞察向有前景的地方前进。值得指出的是，研究组中一些科学家的几乎完全将兴趣集中在对半导体新的理解上，另一些人则对实际应用很感兴趣。
2.3 小结：科学研究是如何带来技术发明的
为什么贝尔实验室的半导体研究会带来晶体管的发明？从上叙述可以看出，这个问题并不象看起来那么明了。如果我们注意到，当时做与贝尔实验室类似工作的还有普度大学的一些科学家，他们基于学术传统研究锗，几乎也发明了晶体管，[（9）]那么，回答这个问题就是很有意义的。
首先，从决策和组织的层次上看，贝尔实验室的半导体研究是在实验室和AT＆T公司发展战略思想指导下决策和组织的一项研究。选择固体物理学做优先研究项目，是确信固态的开关、放大器以及其他器件对公司通讯技术的未来发展会起重要的作用。公司和贝尔实验室强大而广泛的技术基础决定了只要科学研究在与工业技术相关的领域做出突破性的进展，它与企业的技术进步就有高度的相关性。换句话说，半导体研究项目是对公司长远发展有广泛而持续影响的研究领域，其次，从科学研究活动本身来看，贝尔实验室的成功是在对仪器兴趣很浓的肖克利鼓吹之下成立了一个有内在动力的多学科的研究组，并没有完全受目标还不是很明确的需求压力驱使，而是保证科学家相当程度的探索自由和相互接触，使基础研究和应用研究融在一起。
我们可以说，晶体管的发明是科学推力和需求拉力的美妙结合，虽然新技术的可能性是由科学研究的探索带来的，但科学研究项目的决策、组织都体现着潜在的需求。
3 战略研究：科学推力和需求拉力的结合
3.1 战略研究：从企业到国家
贝尔实验室的半导体研究是工业实验室按企业发展战略有目标地组织科学研究的一个典型实例。有目标地规划组织科学研究，使其对企业的长远发展提供源泉和潜力的设想是企业设置科学研究与开发机构的一个重要根据。最早建立工业实验室的几个大企业都是从企业长远发展战略考虑的。[（10）]这种某一实体为了达到战略目标在所选择科学领域所组织的研究称为战略研究。
进入80年代，“战略研究”这一概念开始越来越被用于国家层次，即指从国家发展的战略目标所选择和组织的科学研究。这是因为，进入80年代，西方经济的黄金发展时期已经过去，支持科学研究的资金开始显得不足，研究领域必须有所选择；同时，一系列新的通用技术（生物技术、新材料、信息技术和先进制造技术）在国际竞争中开始起着举足轻重的作用，使科学研究为重要新技术和新产业提供基础的要求越来越迫切。在这种背景下，许多国家的政府开始集中考虑，是否可能发展出一种较好的程序来提出对未来长远发展具有战略意义的研究领域，并制定出相应的政策指导实施，把有限的资源分配到这些领域。
3.2 战略研究的性质
战略研究的性质可以从两个方面理解：
第一，战略研究这一概念与基础研究和应用研究不是同一逻辑分类标准之下的概念。战略研究是从科学研究的资助者和支持者角度而言的，不是对研究人员而言的。战略研究是公司或国家为达到计划目标在所选择的科学领域中所进行的研究，这种研究可能是基础研究也可能是应用研究。更确切地说，战略研究是介于传统意义的基础研究和应用研究之间的一种研究。因为从战略发展角度看，战略研究的目的是对所选择的领域新知识的探索，目的是为技术的进展带来广阔而持续的影响，而不是面对一个直接的应用目标。从国家层次来看，战略研究包括两方面内容：①通过战略性研究领域的选择，协调全国研究系统中不同部分的联系，以使整个系统有效地为国家的战略发展服务，如70年代美国科学和公共政策委员会主持的一系列科学领域的发展规划；②通过选择特定的战略性研究领域并组织实施，为国家特定的战略目标服务，如日本80年代在技术立国战略指导下建立的创造性科学技术推进计划和下一代工业基础技术研究开发计划。
第二，“战略研究可能来源于两个方向：①市场拉力，发生在某个可能的使用者认识到需要某个特定领域更加基本的知识的时候；②技术推力，发生在研究人员认识到某种发现能导致实际应用的时候。”[（11）]
3.3 战略研究 决策与组织
战略研究包括两方面的内容：选择会对公司或国家有高回报的研究领域；组织科学研究。换句话说，战略研究包括决策和组织两方面的内容。
（1）预测与决策
战略研究的决策必须预先估计不同战略性的研究领域对技术和产业的影响，并且认定可能对它们提供养料的基础学科或研究领域。其中关键的问题是科学推力和需求拉力如何有效地结合在一起。
1983年，著名的英国苏塞克斯（Sussex）大学科技政策研究所对法国、西德、日本和美国在过去20年里为确定新的战略性研究领域所做的尝试进行了研究。结果表明：在确定未来研究重点方面，传统的委员会和同行评议机制越来越不适应。因为同行评议机制选择优先重点基本上是基于“科学推力”考虑，常常更多地评论现有的科学机会，而不是把科学机会和社会经济需要结合在一起系统地考察。如60年代美国在关于科学规划的一系列报告中，科学界表现得很不愿意把优先领域与可提供的预算或未来可能的经济和技术需求联系起来。要做出有战略意义的重点选择，就不能只基于学术意义考虑，必须结合需求拉力因素。但是，这一点在体制上的阻力是很大的。如德国马普学院所属的基础科学研究和夫朗和费学院所属的应用科学研究在体制上是分离的，国家支持系统希望寻找新的途径，改进确认有希望的科学领域的方法。但是由于战后的德国宪法保护学术研究，所以改进传统同行评议的企图遭到强烈的抵制，结果很难在基础科学和应用科学整个范围内联合一起确定战略研究的重点。虽然如此，与需求拉力结合的必要性还是被逐渐接受。如美国70年代提出的关于材料科学的科恩报告，在报告收到许多批评之后，就充分吸取了工业界对研究重点、对科学机会和外部需求问题的意见。[（12）]
在规划战略研究方面成功的国家是让欧美羡慕的日本。战后初期，经过激烈的辩论，日本拒绝了以比较优势的传统理论为基础的长期发展战略。通商产业省从长远变动的观点考虑，把解决依靠市场机制不能解决的最优资源配置问题作为自己的责任。据此，通产省把随着最广阔的市场前景而长期推进最先进的技术视为自己的一项关键职能，目的是通过判别未来技术的进步方向和各种技术相关重要性，对经济结构变化长期模式的形成产生相当的影响。这和欧美类似的部门不同，这些部门几乎不对长期的技术政策负责。战后，通产省年轻有志的一代技术管理专家，不仅自己充满热情地勾划和推进战后日本先进技术的选择，而且还建立了一种延续至今，日显重要的连续性咨询模式：既同产业界科研人员，又同大学的科学家和技术专家就技术发展问题进行连续性的对话。这使得他们充分熟悉新发展的主要趋势，并且可以对所需要的问题进行全面的考察或观测。因此，通产省通过与科学和技术共同体的合作，通过与工业界的合作，成功地采用了一套进行长期预测研究与发展的做法，成功地规划企业的行为，并运用这些预测组织实施。这套做法使得日本政府在选择未来与产业发展相联系的重要技术领域方面取得了成功。[（13）]在具体的预测和选择中，不仅在于预测的信息调查是自下而上的，涉及了各个机构的研究人员，而且在于主持预测与决策的委员会和西方职能相近的委员会大不相同。如日本通产省的下一代工业基础技术计划，负责选择项目的委员会结构十分复杂，这在选择具体的研究项目上起到了很大的作用：可以从工业界和科学界广泛吸收意见，使通产省按自上而下的途径选出普遍认为值得从事的研究项目。
（2）组织与实施
提出对于未来具有重要意义的领域比较容易，困难在于做出具体的实施组织和相应的政策。
这里困难在于如何有效组织才能把科学推力和需求拉力结合在一起，即把科学研究可能带来的新进展和技术本身的发展需求相结合。
日本在战略研究组织和实施方面的做法比较成功。在日本科技厅主持的创造性科学技术推进计划中，为了保证达到发掘“技术种子”的计划目标，采取了专家负责制之下的以人员流动为中心的组织形式，充分吸取产学研各方有创造才能的人参加。为了促进研究成果的成熟，随后还创建了“尖端技术推广试验制度”，吸引由不同行业的多边企业和研究人员组成多边试验集团，就既定项目进行共同试验。在日本通产省主持的下一代工业基础技术计划中，为了使已发现有应用前景的现象、效应和技术苗头达到工业实际应用需要的性能，采取的组织形式是所选择的课题尽量委托企业界研究开发部门进行，并根据课题的需要，求得大学和研究机构的配合。
4 小结
战略研究最早出现在企业中，后出现在国家发展中。从国家层次来看，战略研究是以国家发展战略为框架而有效分配科学研究资源的一种设想和做法，活动的规律和涉及的因素都远远超过了企业界，显然，由于每个国家的发展情况不一样，科学资源和可能需求不一样，战略研究的选择是不同的。
战略研究的关键是把科学推力和需求拉力结合在一起，使科学研究带来的应用潜力和社会经济发展的重要领域联系在一起。从国家层次上看，它的基础是学术界和产业界广泛而深入的合作，这是战略性研究课题产生的源泉。它的有效依据是基于对学术界和产业界系统调查所做出的科学预测。
战略研究是科学支持者的行为。对于国家的战略研究来说，是政府的行为。由于战略研究的实质是在更高层次和更宽视野之下，根据国家战略发展的需求，对国内科研系统已有的科学资源进行重新调整，以使它们在更清晰的目标下紧密地联系起来，并充满活力地运行。因此，作为宏观调控的政府的政策和组织作用是十分重要的。
自战略研究这一思想在国家层次上明确提出以来，尽管不同组织、不同层次的人士对战略研究并不一致赞同，但是这种组织形式的优越之处在一些国家的实施中显示出明显的效果，越来越广为接受。随着与国际科技界和科技政策界交流的深入，[（14）]这种思想也逐渐引起我国科技界和科技政策界的重视，已成为一个需要结合国外的经验和我国的实际情况做深入研究的问题。
（本文的修改承樊洪业老师提出宝贵意见，特此致谢！）
*本研究为国家自然科学基金委资助项目的一部分，项目编号79370074。
注释：
（1）参见M.Gibbons C.Johnson"Science,Technology and the development of the Transistor"in B.Barnes and D.Edge(edit) Science in Context:Readings in the Sociology of Scicnece The Open University press 1982 P126.
（2）参见柳卸林：《技术创新经济学》，中国经济出版社，第33页。
（3）（4）Braun Ernest Revolution in miniature:The history andimpact of semiconductor electronics Cambridge University Press 1978 PP9-25,P36.
（5）（8）R.R.Netson The Link Between Science and Invention:TheCase of The Translstor in The Rate and Direction of Inventive Activity:Economic and social Factors Princeton University Press 1978 PP9-25,P36.
（6）早期的项目报告甚至没有提到放大器（（5），P567）。当时在贝尔实验室的科研人员J.M.Early说：“这些伙计一直希望寻找新的效应，但是一个也没有找到；他们发现了放大器，这是在他们梦想之外的……他们一直努力揭示研究进程中的东西，在这个过程他们发现了放大器。”（（3），P8）。
（7）（美）J.巴丁：“科学研究与工业发展”，《社会发展和科学预测译文集》，科学出版社，1981年，第15—16页。
（9）1944年普度大学两位年轻人S.Benzer和R.Bray在物理学家Lark-Horovutz指导下做硕士论文，分别从不同方向研究锗的点接触问题。战后，两人觉得普度大学可能会在核物理方面有所复兴，一度转向核物理的研究。1948年两人在物理学会的大会上报告了他们关于锗的研究，在座的巴丁立即意识到S.Benzer和R.Bray每人的工作若以适当的方式结合在一起就能形成晶体管，这离晶体管发明只有几个星期，但尚未公开。（（3），P38）R.R.Nelson对此解释说，具有“仪器意识”（device minded）的科学家是贝尔实验室发明晶体管的基本要素。（（5），P580）贝尔实验室在保证科研研究自由性的同时，从招募新人开始，就想法让科学家对公司仪器装置技术感兴趣，从而对仪器装置技术显示的重要科学问题感兴趣。（（5），PP576—578）。
（10）如最早一个建立工业实验室的美国通用电气公司宣称其目的是，通过建立一个单独从事创造性研究的实验室，有望发现许多有利润的领域。K.BirrPioneering in Industial Research Public Affair Press Washington D.C.1957 P31。
（11）（12）J.马丁：“确定战略性研究的优先领域”《科学学译丛》1991年1期第42页。
（13）C.Freeman Technology Policy and Economic Perormance:lessonfron Japan Pinter Publiehers London and New York 1987 PP33-39.
（14）例如，1995年中国国家科委和加拿大国际发展中心联合指定的国际专家组经过五个月的调查研究，向国家科委提交了《中国十年科技改革的研究报告》，报告中指出：“工业化国家很重视培育从事研究、设计和生产人员之间的相互联系，在科学家和工程师之间形成了新的组合——网络和协作集团；导致了在科学前沿中那些可能成为具有重要经济和社会意义未来技术源的领域（亦即所谓的“战略研究”）大量的投资。中国正在准备进行下一步科技系统的结构改革，应该仔细研究这个经验的益处。”（第33页）。