第431章 高純度單晶矽

  第434章 高純度單晶矽

  陳常在並不知道美國金字塔頂層的那些勢力變化，還是那句話，他即便知道了也與他關係不大。

  當美國人民還沉浸在失去他們總統的悲痛中時，陳常在卻在電子科技研究院下屬的，晶體矽材料研究所中，見證著一個奇蹟的發生。

  實驗室中除了陳常在之外，電子研究院的三巨頭，也就是那三位副院長：負責計算機的華教授、負責雷達的吳副院長、負責電子通訊的沈逸風。

  這一刻也全都在這間實驗室當中，而實驗室里進行的就是單晶矽懸浮區熔法實驗。

  單晶矽，電子科技發展到電晶體時代的基礎材料。

  

  沒有單晶矽就沒有電晶體，沒有單晶矽就沒有晶片，就沒有超級計算機，就沒有電子科技的爆發。

  陝北的電子科技研究院成立已經有五年了。

  從電子科技研究院成立的第一天開始，對於電晶體的研究就沒有停止過。

  這個項目是陳常在最為注重的項目之一。

  它的重要性已經超過了電子管計算機、雷達和通訊裝備。

  雖然這三項也非常重要，但是陳常在也知道，用不了多長時間，只是短短的十幾年，美國人就能夠拿出來第一代的商用電晶體產品。

  當美國杜邦公司在1954年，第一次使用懸浮區熔法，拿出來了世界上第一根達到了六個9純度的、也就是99.9999%的矽棒時，整個世界都被震驚了。

  因為那時在這個世界的電子行業中，所有人都知道，電子行業的未來一定是單晶矽的世界。

  雖然當時世界上通行的電晶體元件還是五個9（5N，以後以N來代表9）的鍺電晶體。

  即便是5N的單晶矽電晶體也才剛剛面世不久，可是在電子行業中，所有專家都知道，鍺電晶體有著天生的缺陷。

  首先就是鍺這種礦物在地殼中的含量極低，只有0.0007%，而矽在地殼中的含量卻有28%。

  這種十萬級別的成本差異，就沒有什麼可比性，只要突破了矽提純技術，那麼鍺就只能在電子行業中被淘汰掉。

  至少在基本的電子應用上，鍺已經沒有了立足之地。

  再有就是，鍺電晶體的禁帶寬度太窄，而且它在高溫環境下漏電暴增，會直接熱失控。

  鍺的禁帶寬度只有0.67eV，而矽的禁帶寬度則能達到1.12eV，兩邊的差距接近一倍。

  所謂的禁帶寬度，簡單的說就是半導體裡的電子想要掙脫束縛參與導電，就必須要跨過的能量門檻。

  而鍺的門檻低，只要溫度稍微一升高，達到了75—85攝氏度的時候，電子就會大量地跨過門檻四處亂串，造成漏電。

  而矽的門檻高，熱穩定性好，它可以穩定工作在150攝氏度以上還能約束住電子，不讓它亂跑，這也就是後世矽替代了鍺的主要原因。

  除了耐高溫之外，鍺無法生成優質的氧化層，鍺的氧化層易溶於水，結構疏鬆，絕緣性極差。

  而矽在高溫氧化後，能夠形成穩定緻密、絕緣的二氧化矽，這種材料特性是鍺完全不具備的。

  還有就是，鍺晶體極易生長晶須，長期使用鍺電晶體，必然會出現短路失效的情況。

  因為鍺的質地偏軟，在電場、溫度循環和機械應力下，鍺晶體表面會自發生長出來細長的金屬晶須，長度可以達到幾毫米。

  只要晶須碰到電極就會造成短路，而且這種東西還無法被提前發現，這就是任何軍用裝備都無法忍受的事情。

  沒有誰能夠忍受飛機飛著飛著，突然電子控制系統短路失效了，這可就非常要命了。

  所以鍺電晶體被淘汰，也是必然會發生的事情，當然後世在電子行業中，鍺也因為它特有的特性，在某些領域也是離不開它的。

  比如矽鍺射頻晶片，光纖通訊領域，紅外光學領域，鍺也是不可或缺的。

  可是雖然誰都知道矽材料在電子領域會一騎絕塵，但是想要得到高純度的，能夠製成合格電晶體的矽材料，可不是那麼容易的事情。

  想要得到矽材料，從礦山開採，到製成5N級單晶矽，這個過程就有十幾個流程。

  而直到1954年之前，世界上最多也就只能通過物理精煉提純，再用提拉法製取出來5N

  級的單晶矽和極少極少量的6N級單晶矽。

  而陳常在這邊，從一開始就是奔著6N級單晶矽去的。

  因為5N級單晶矽雖然可以做放大電晶體，但是它的穩定性極差，故障率非常高。

  而使用6N級單晶矽，才算是真正邁入了電晶體的世界。

  其實對於單晶矽的使用，並不是越純越好，提純的目的，是把那些不受控制的原生雜質去除掉，把控制權拿到生產者手中。

  尤其是硼和磷是單晶矽中需要清除的物質，這兩種物質在製成矽晶的時候要儘可能的完全清除掉，它們就是影響矽純度的主要雜質。

  可是在製成單晶矽的時候，還要按著一定的比例再次添加硼和磷。

  因為矽本身不導電，所以要依靠磷讓矽多出來一個自由電子，依靠硼讓矽產生空穴這兩個材料都是幫助矽來進行導電的。

  這兩種材料在矽晶體內會產生單向導電的PN結，只允許電子單向運動，這也就是二極體和三極體工作的基本原理。

  （這個東西說的太多了很複雜。）

  陳常在等人站在實驗室的一邊，一聲不響地看著矽材料研究所所長，陳常在的學生汪秉哲和他的同事們，正在小心地操作著一台機器。

  在這台機器的內部，一根實驗用的單晶矽棒已經成型。

  這是汪秉哲他們連續工作了二十多個小時之後的成果。

  而這台機器就是能夠製成6N級單晶矽的核心，懸浮區熔單晶矽爐。

  想要得到6N級以上的單晶矽，僅僅依靠物理提純法已經是不可能了，物理提純法的極限只能達到5N級。

  後世大規模的提純矽晶，都是用化學法加多級精餾塔提純法來進行提純。

  後世提純矽晶的精餾塔，最高的要一百多層。

  而且對於這種極其複雜的提純方法，陳常在完全不知道化學法裡面的化學成分，也不清楚精餾塔的製造原理和過程。

  雖然說精餾塔的基本意思就是通過不同物質的沸點，通過高溫讓這些物質分離出去。

  但這東西說起來簡單，想要做到那就不是一朝一夕的事情了。

  而懸浮區熔法，這個在1954年被發明出來的提純方法，陳常在還是知道一點的。

  這個方法說白了就是把一根5N級矽料棒，用夾具夾住，懸掛在一個密封的石英管狀爐中。

  容器底部有一個柱狀夾具，上面有一顆矽單晶籽晶，而在機器外面是一個高頻感應線圈。

  這種高頻感應線圈在後世很多地方都可以看到，比如某音上打菜刀和冷兵器的小型打鐵作坊里，用來快速給金屬局部加熱的那個東西，就是高頻感應線圈。

  它可以在不接觸物體的時候給物體加溫。

  現在這台機器上的高頻感應線圈，就是給石英管狀爐中的那根矽棒在加熱。

  因為高頻感應線圈在通電之後，會產生高速變化的交變磁場。

  磁場穿透矽棒時，在矽棒內部感應出來渦電流，渦電流在矽的電阻上發熱，這樣就可以把矽棒局部加熱到1414度的熔化溫度。

  可是懸浮區熔法，並不是要全部融化矽棒，而是要讓矽棒局部融化後，依靠矽熔液的表面張力，把矽溶液留在原位。

  簡單的說，這個時候的矽棒融化段就像是裝著水的氣球，它是液態的，但是還沒有流淌下來。

  因為矽內部的雜質有著向液態方向流動的特性，所以懸浮區熔法就是用這種特性。

  讓矽棒在高頻感應線圈中來回上下移動，讓整個矽棒不斷地融化凝固，來分離出來矽棒裡面的雜質，讓雜質向矽棒兩端轉移。

  最後就能得到矽棒中間那一大段的，能夠達到6N級別的高純度單晶矽。

  矽棒終於慢慢地完全自然冷卻了之後，汪秉哲才和同事們一起打開了石英爐。

  眾人從爐中取出了一根一厘米粗、20厘米長，深灰黑色、泛著金屬光澤的小棒。

  當陳常在把這個單晶矽棒拿到手裡之後，那上面讓自己帶著薄手套的手僅僅感覺到微熱的餘溫，卻讓他的心都被這餘溫給燙得火熱。

  隔著口罩，陳常在深深地吸了一口氣後，又慢慢地吐了出來。

  他撫摸著這根單晶矽棒，對華教授和吳副院長几人說道：「只要它能夠達到6N級別，那麼我們的電子計算機就能縮小一百到一百五十倍，功耗也能從千瓦級，降低到瓦級。

  我們的雷達將會做得更小，我們戰鬥機上裝備的雷達將會看得更遠，看得更准。

  我們的單兵通訊設備，也會從十幾斤重，變成幾斤重。

  你們能夠想像嗎？

  只要有了它，未來我們甚至能夠把我們山洞裡那幾十噸重的電子計算機，全都裝進一本書一樣大小的小計算機裡面。

  我們的戰鬥機雷達就能看到並鎖定一百公里之外的目標。

  我們未來通話的時候，只需要一個不到一斤重的小通話器，就能在世界各地自由通話。

  有了它，我們就可以造出來真正的飛彈。

  我們火箭彈上如果裝上了一個由這個小東西製成的計算機大腦，那麼這個火箭就可以自動地找到我們的敵人，鎖定我們的敵人，然後把敵人乾脆利落地給消滅掉。

  有了它，未來我們就可以把我們的偵查設備用大火箭發射到外太空上去。

  它將會在太空之中不受阻礙地，隨時看到我們敵人的一舉一動。

  今天它的出現，是具有革命性意義的，說它可以翻江倒海、通天徹地也毫不為過啊！」

  拿著單晶矽棒的陳常在，這時說話都有一點語無倫次了。

  他不自覺地就把自己後世的一些東西都給模糊地說了出來。

  可是陳常在說的這些，對於華教授和吳院長他們來說，卻並不是胡言亂語。

  他們就是搞電子科技的，他們的遠見可是比一般人看得遠得太多了。

  對於這個單晶矽能夠產生的作用，他們作為行家可是非常清楚的。

  他們不但不會覺得陳常在暢想出來的未來過於科幻，反而會認為陳常在說的還是太過保守了。

  在他們的眼中，這個單晶矽能夠做到的要遠遠超過了陳常在的暢想。

  他們認為，只要有了可以做到無限小的電子計算機和雷達，那麼給一隻蒼蠅裝上一套這樣的設備，讓蒼蠅作為偵察尖兵也是完全可能的。

  現在做不到只不過是技術還沒有達到而已，只要技術達到了，那麼一切就都有可能。

  而今天已經正式推開了矽晶體世界的大門，那麼未來達到自己理想的世界還會遠嗎？

  早晚有一天，他們所有的暢想都會變成真正的現實，對於這一點他們全都深信不疑。

  （不要以為我們老一輩科學家缺乏想像力。

  要知道我們現在的武器裝備，包括最新型的武器裝備，它們最初的設想圖紙都是他們那一輩人給出來的。

  只是當時的技術還沒有達到而已。

  有興趣的話可以了解一下錢老提出的，虛擬實境的靈境計劃，人機合體的人工智慧計劃，曙光一號載人飛船計劃，錢老1962年寫出的《星際航行概論》和太空碼頭計劃。

  如此種種可是太多了。）

  華教授也伸手撫摸了一下陳常在手中的那根矽棒，他的手這時都有點在顫抖。

  對於單晶矽電晶體和集成電路的構想，他已經研究了好幾年了。

  可是想要得到高純度的單晶矽哪裡是那麼容易的，如今這根雖然還沒有經過檢測，但卻給了他極大希望的單晶矽棒就出現在了他的眼前。

  他感覺這一刻的幸福感，讓他幾乎都有了一種忘乎所以的，想要仰天長嘯的感覺。

  可是溫潤的性格還是壓制住了他的激動，他只是顫抖地撫摸了幾下這根單晶矽棒，然後說道：「好、好、好啊，真好啊！」

  而這時吳院長和沈逸風兩人也都是兩眼放光地看著陳常在手中的這根單晶矽棒，他們內心的激動也是溢於言表。

  當陳常在抬起頭，看向了今天的大功臣汪秉哲和他的同事們時，他看到的是一張張早已經淚流滿面的面孔。

  這麼多年了，他們日夜煎熬，今天終於是把第一道題給答出來了。

  雖然還不知道最後能夠得多少分，但是他們相信今天一定會有個滿意的分數。

  陳常在這時說道：「秉哲，進行最後的檢測」

  「是，老師。」汪秉哲大聲喊道。

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  （還有更新耶）