第402章 硅与锗的提纯 (第2/2页)

这就是区域熔炼的核心——只融化一个极其狭窄的“区”。
　　
　　“开启滑轨电机。移动速度设定为每分钟两毫米。”刘峰紧盯着那个耀眼的液态熔区。
　　
　　机械丝杠缓慢转动，带着感应线圈向右侧平移。
　　
　　随着线圈的移动，原本处于熔融状态的左侧边缘开始脱离高温区。液态锗的温度下降，重新结晶凝固成固态。而右侧原本是固态的锗锭，则进入感应圈的范围，开始融化。
　　
　　这个银白色的液态熔区，就像一个微型的高温扫把，以极其缓慢的速度，沿着锗锭从左向右扫过。
　　
　　区域熔炼的物理学原理，建立在一个被称为偏析系数的结晶学常数上。
　　
　　对于锗晶体中的绝大多数杂质，它们在液态锗中的溶解度，远远大于在固态锗晶格中的溶解度。
　　
　　这意味着什么？
　　
　　这意味着，当液态熔区在移动时。左侧重新结晶的固态锗，会自动排斥那些杂质原子。杂质原子会本能地倾向于留在依然是液态的熔区中。
　　
　　随着熔区不断向右移动，它就像一块巨大的磁铁，将沿途所有的杂质原子不断地“吸”入液态区域，并一路推赶着它们向右侧前进。
　　
　　这是一个极其枯燥、缓慢的过程。
　　
　　每分钟两毫米的移动速度。走完一根长达五十厘米的锗锭，需要四个多小时。
　　
　　当感应线圈移动到锗锭的最右端并停止加热时。整个锗锭重新冷却固化。
　　
　　“第一遍扫描完成。”刘峰看着冷却后的金属锭。
　　
　　“这还不够。”
　　
　　他拿起一份数学推演报告。经过一次区域熔炼，左侧的纯度虽然提高了，但依然没有达到百亿分之一的要求。
　　
　　“进行第二次扫描。从左向右。”
　　
　　加热线圈回到起点，重新融化出一个狭窄的区域，再次开始缓慢的平移。
　　
　　十次、二十次、三十次。
　　
　　在实验室不眠不休的运转中。感应线圈在锗锭上反复扫过了整整四十次。
　　
　　每一次扫描，都会将微量的杂质进一步向右侧驱赶。
　　
　　当第四十次扫描结束后。
　　
　　刘峰戴上隔热手套，打开石英管的密封盖，抽出了那个石墨舟。
　　
　　经过四十次重熔和结晶的锗锭，其物理形态发生了一些明显的变化。
　　
　　它的左端和中段，呈现出一种极其明亮、结构致密的银色金属光泽。而它的最右端，大约五厘米长的一小段，颜色却变得暗淡且布满了杂质的斑点。
　　
　　这最右端的五厘米，集中了整根锗锭中几乎所有的杂质原子。
　　
　　“拿金刚石切割机来。”
　　
　　刘峰毫不犹豫地下令。
　　
　　高速旋转的金刚石锯片喷洒着冷却液，将锗锭最右端那含有高浓度杂质的部分切下，直接扔进了废料桶。
　　
　　剩下的那根锗锭，被送入了最高级别的光谱分析仪中进行纯度检测。
　　
　　几个小时后。
　　
　　检测员拿着报告单，双手因为激动而剧烈颤抖，快步走到刘峰面前。
　　
　　“刘主管……结果出来了。”
　　
　　“纯度九个九。杂质浓度，低于百亿分之一。”
　　
　　刘峰长长地吐出一口气，摘下防护眼镜。
　　
　　在物理学和材料学的极限拉扯下。大西北的工程师们，用最粗暴的火力发电厂粉煤灰，结合最精密的电磁感应和热力学偏析定律，生生炼出了当时地球上最纯净的物质。
　　
　　但这依然只是半导体的原料。要让它变成晶体管，还需要在微观层面上对其进行结构的重塑和极其精确的掺杂。
　　
　　西京物理研究院，超净实验室。
　　
　　这里是大西北向微观世界进军的前沿阵地。
　　
　　人类的肉眼无法看到灰尘的破坏力。但在半导体制造中，一颗直径只有几微米的灰尘如果落在晶体表面，就足以导致晶格缺陷，让电子的跃迁发生短路，整个元件直接报废。
　　
　　材料化学家林思媛博士，正准备进入这间全西北防尘级别最高的实验室。
　　
　　她必须遵守极其严苛的隔离程序。
　　
　　在更衣室里，林思媛脱去所有的外套。穿上了一套由致密尼龙纤维缝制的全封闭白色连体防尘服。戴上无尘帽，将所有的头发包裹进去，只露出一双眼睛。戴上两层医用乳胶手套，脚上穿上防静电的无尘靴。
　　
　　推开第一道气密门，她进入了一个被称为风淋室的狭小空间。
　　
　　四周的喷嘴喷射出每秒二十五米的高速洁净空气，强劲的气流将她防护服表面附着的任何微小尘埃吹落。脚下踩着具有强粘性的防尘地垫。
　　
　　三十秒后，第二道气密门打开。林思媛终于进入了超净实验室的核心操作区。
　　
　　这里的空气经过了高效微粒空气过滤器的层层过滤。空气中的悬浮颗粒物数量被控制在了一个近乎真空的物理极值。
　　
　　操作台上，放置着几片经过单晶拉制和金刚石切割的锗晶片。它们只有指甲盖大小，厚度不到一毫米。
　　
　　尽管经过了区域熔炼，但金刚石切割的机械应力，在锗晶片的表面留下了一层厚约几十微米的物理损伤层。这一层晶格扭曲的表面，必须被彻底去除。
　　
　　林思媛走到一台带有强力排风系统的化学通风橱前。
　　
　　接下来的化学腐蚀作业，极度危险。
　　
　　她需要使用的是氢氟酸与硝酸的混合溶液，被称为CP4腐蚀液。
　　
　　氢氟酸，是自然界中最可怕的无机酸之一。它的腐蚀性极强，甚至能够直接溶解玻璃。因此，操作台上的所有容器，不能有一丝玻璃制品，全部采用特氟龙塑料制造。
　　
　　更为致命的是氢氟酸对人体的物理伤害。如果不慎滴在皮肤上，它不会像硫酸那样立刻产生剧痛和烧焦的痕迹。氟离子会无声无息地穿透表皮细胞，直达骨骼。它会与骨骼中的钙离子发生剧烈的化学反应，生成氟化钙。在这个过程中，钙质被大量抽离，引发极度痛苦的骨骼坏死和全身性的低血钙抽搐，甚至导致心搏骤停。
　　
　　林思媛的眼神专注而冷酷。她深知自己手里拿着的是怎样的化学恶魔。
　　
　　她用特氟龙镊子，夹起一片锗晶片。
　　
　　缓慢而平稳地，将晶片浸入装满CP4混合液的特氟龙烧杯中。
　　
　　剧烈的化学反应瞬间发生。
　　
　　硝酸作为强氧化剂，将锗晶片表面的损伤层氧化成二氧化锗。紧接着，氢氟酸发挥作用，与二氧化锗反应生成可溶于水的氟锗酸络合物。
　　
　　晶片表面冒出细小的气泡，原本因为切割而显得粗糙暗淡的表面，在强酸的吞噬下，以每分钟几微米的速度被剥离。
　　
　　十五秒。
　　
　　林思媛在心里默念着秒数。腐蚀的时间必须精确控制。时间太短，损伤层去不掉；时间太长，晶片会被彻底溶解。
　　
　　“时间到。”
　　
　　她用镊子将晶片迅速夹出，立刻放入旁边装满高纯度去离子水的超声波清洗槽中，彻底洗去表面残留的酸液。
　　
　　经过酸洗后的锗晶片，展现出了一种完美的、没有任何晶格缺陷的镜面光泽。
　　
　　这块晶片，随后被送入了真空扩散炉。在高温下，极微量的特定杂质被作为气体源通入炉内。杂质原子在热运动的驱动下，缓慢地扩散进入锗晶片的表层晶格中，完成了N型或P型半导体的物理转变。
　　
　　所有的前置材料准备完毕。
　　
　　在超净实验室的一台高倍立体显微镜下。一场决定人类信息时代走向的微观装配正在进行。
　　
　　赵广陵亲自坐在显微镜前。
　　
　　他的面前，是一个特制的微型机械夹具。
　　
　　夹具的底座上，固定着一块经过掺杂处理的N型锗单晶基片。
　　
　　而在夹具的上方，是两根细如发丝的金丝。
　　
　　这就是世界上第一个点接触型晶体管的组装。
　　
　　赵广陵的双手通过高精度的微调螺旋，缓慢地控制着两根金丝下降。
　　
　　在显微镜放大了上百倍的视野中。
　　
　　两根金丝的尖端，缓缓逼近锗晶片的表面。
　　
　　物理距离在微米级别被压缩。
　　
　　当金丝的尖端与晶片表面接触的瞬间。
　　
　　赵广陵停止了移动。此时，这两根金丝，它们在晶片表面的接触点之间的物理距离，只有不到五十微米。
　　
　　“接通成型电压。”赵广陵下达指令。
　　
　　助理合上开关。一股短暂的高压大电流脉冲通过两根金丝注入锗晶片。
　　
　　在接触点极小的微观区域内，电流产生了瞬间的高温。金丝中的镓原子在这个瞬间熔入了锗晶格中，在N型锗基片的表面，形成了两个极其微小的P型半导体区域。
　　
　　这样，一个由P-N-P结构组成的微观电子阀门，被硬生生地焊死了。
　　
　　赵广陵深吸了一口气，感觉手心里全是汗水。
　　
　　“接入测试电路。”
　　
　　助理将一根微弱的低频音频交流电信号线，连接到发射极上。将一个电池电源连接到集电极上。最后，将一台示波器的探头接入输出端。
　　
　　“开启电源。”
　　
　　赵广陵死死地盯着示波器的屏幕。
　　
　　如果这块锗晶片仅仅是一个电阻，那么输出端的波形将毫无变化，甚至会衰减。
　　
　　但如果量子力学关于半导体能带的理论是正确的。
　　
　　当发射极的正向电压将空穴注入N型基区后，这些空穴会在晶格中扩散，并被集电极的强负电压迅速收集。在这个过程中，微小的输入电流变化，将引发集电极输出电流的巨大改变。
　　
　　“嗡——”测试电路通电。
　　
　　示波器屏幕上，原本平缓的绿色扫描线，突然出现了剧烈的跳动。
　　
　　输入端那微弱的低频正弦波信号，在通过这块没有玻璃、没有真空、体积只有米粒大小的固体晶片后。
　　
　　在输出端的屏幕上，被放大成了一个振幅极高、波形完美的巨大正弦波。
　　
　　放大倍数：四十倍。
　　
　　实验室里鸦雀无声。
　　
　　赵广陵抬起头，离开了显微镜的目镜。他的眼睛有些发红。
　　
　　没有炙热发红的钨丝，没有需要不断抽气的真空玻璃管，也没有庞大的冷却水管。
　　
　　仅仅是在一块金属的晶格中，利用原子的排列和电子的跃迁。大西北实现了对电信号的纯物理放大。
　　
　　晶体管，诞生了。
　　
　　这颗小小的锗晶体，其蕴含的战略破坏力，远远超过了千万吨当量的核爆。
　　
　　因为它意味着，那重达三十吨的昆仑一号计算机，将被压缩到一个手提箱的大小。意味着喷气式战斗机将装上能够穿透云层的雷达大脑；意味着在大气层边缘飞行的导弹，将拥有自动追踪目标的物理神经。
　　
　　人类控制能量的维度，在这一刻，正式从宏观的机械齿轮与化学燃烧，深入到了微观的原子晶格之中。大西北，率先推开了这扇通往信息时代的大门。