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第402章硅与锗的提纯(第1/2页)
物理学上的宏观现象总是伴随着能量的流失与转换。而在大西北的工业体系内部，另一种关于能量控制的物理危机，正随着技术维度的攀升而暴露出来。
大西北计算科学研究所。
昆仑一号通用电子管计算机所在的恒温车间，此刻正处于一种高热状态。
车间顶部的重型工业级氟利昂制冷压缩机发出沉闷的轰鸣，巨大的冷风管道将温度低至五摄氏度的冷气吹入机柜下方的地沟。但这股强劲的冷平流，依然无法完全压制住一万八千个真空电子管同时工作时散发出的庞大废热。
维护技术员李明穿着单薄的短袖，额头上布满汗珠。他手里提着一个装满备用电子管的防静电工具箱，在两排高达两点五米的黑色金属机柜之间快速穿行。
“D区第七列，阳极电压异常下降。发生物理击穿。”
李明听到主控台的报错，立刻停下脚步。他拉开机柜的铁门，一股高达六十摄氏度的热浪扑面而来。
在密密麻麻的电子管阵列中，他准确地找到了一根原本应该散发着暗红色光芒的双三极管。此刻，这根管子的玻璃外壳内部呈现出一种浑浊的乳白色，灯丝已经彻底烧断。
李明戴上隔热石棉手套，拔下滚烫的废管，将一根新的电子管插入八针管座。
这只是他今天这个班次里更换的第四十七根电子管。
在控制大厅内，研究所的数学家和几名来自航空航天部门的工程师，正看着电传打字机上吐出的乱码，眉头紧锁。
“运算中断。第十二次微分方程迭代失败。”操作员无奈地切断了数据输入纸带。
“又烧管子了？”一名穿着空军制服的工程师拍了一下桌子，语气中带着明显的焦躁。
“这是概率学上的必然。”数学家推了推眼镜，语气冷静而客观。
“昆仑一号有一万八千个电子管。即使每个电子管的平均无故障工作时间长达一万小时，根据串联系统的可靠性公式。这台机器在任何一个时刻发生单个元件损坏的概率，被放大了近两万倍。在进行耗时超过三个小时的大型矩阵运算时，系统不出现故障的概率几乎为零。”
空军工程师叹了一口气，拿出一份图纸。
“我们在九千米高空拦截日军的战斗中，发现喷气式战斗机的速度实在太快了。飞行员在接近音速的状态下，根本无法依靠肉眼和机械瞄准具去锁定同样高速机动的敌机。我们需要机载雷达和火控计算机。”
工程师指着那庞大的昆仑一号机柜。
“但这种东西，我们怎么装上飞机？它重达三十吨，耗电一百五十千瓦。而且，就算我们把它缩小一百倍。”
他用手指重重地敲击着图纸上一个导弹头锥的剖面图。这是大西北正在研发的“后羿”制导武器。
“当导弹或者喷气式飞机进行五个G以上的大过载机动时。电子管里的玻璃真空罩和细弱的钨丝，会在物理惯性的拉扯下瞬间碎裂。我们不能把一堆脆弱的玻璃灯泡装进超音速飞行的弹头里。”
体积、发热、抗震性。
这三个由电子管物理材料决定的底层属性，在传统的地面无线电通讯和低速活塞飞机时代，尚可容忍。但当大西北的战争机器迈入喷气时代和制导武器时代后，这堵由真空和玻璃构成的物理天花板，卡死了算力向移动端和微观端延伸的通道。
必须寻找一种全新的物理介质，来代替在真空中飞行的电子。
西京政务院，最高科学技术研讨会。
大西北在物理学、材料学和化学领域的顶尖大脑，被李枭召集在一间会议室内。
黑板上，画着一个经典的玻尔原子模型。原子核位于中心，电子在不同的轨道能级上环绕。
赵广陵教授拿着粉笔，在黑板上画出了硅和锗这两种元素的晶格结构。
“真空电子管的原理，是通过加热阴极，让电子获得足够的动能挣脱金属的束缚，飞入真空，然后用栅极的电压来控制这股电子流的大小。”
赵广陵的声音在安静的会议室里回荡。
“这种方式之所以笨重，是因为它需要巨大的物理空间来容纳真空，需要高强度的电流来产生热量。”
“如果我们放弃真空呢？”
赵广陵的粉笔在锗的晶格结构上重重地画了一个圈。
“根据量子力学的能带理论。锗和硅这类元素，被称为半导体。在绝对零度下，它们的价电子被共价键死死地束缚在原子核周围，完全不导电，相当于绝缘体。”
“但是，只要在常温下，或者给予微小的电场刺激。少数电子就会获得能量，跃迁到导带，成为自由电子。同时，在原来的共价键上留下一个带正电的空穴。”
赵广陵转过身，目光灼灼地看着在场的所有人。
“我们可以通过在纯净的锗晶体中，人为地掺入极微量的特定杂质原子。比如掺入磷原子，它会多出一个电子，形成N型半导体；掺入硼原子，它会缺少一个电子，形成带正电的P型半导体。”
“只要我们将这两种半导体像三明治一样结合在一起。我们就可以完全在固体的晶格内部，仅仅利用微小的电压，来控制电子的流动和放大。”
“没有玻璃壳，没有真空，没有灯丝加热。一个具备放大和开关功能的固体元件，其体积甚至可以做到只有米粒大小。它不怕震动，耗电量不到电子管的千分之一。”
这就是固体物理学中最具革命性的构想——晶体管。
在座的工程师和将领们听到这个描述，眼中闪过了震撼的光芒。如果这种东西能够造出来，战斗机的机头里就可以塞进一部强大的火控雷达，制导弹药的体积将大幅度缩小。
但赵广陵接下来的话，让所有的热情瞬间降到了冰点。
“理论模型完美无缺。但在材料学上，它要求一种近乎神迹的物理纯度。”
赵广陵放下粉笔。
“要让这种固态电子跃迁按照我们设定的规律运行，作为基底的锗晶体，其内部的杂质浓度必须被控制在百亿分之一以下。”
“目前大西北最先进的化学提纯手段，通过反复的酸洗和沉淀，也只能将金属锗的纯度提升到百分之九十九点九。这距离半导体级别的纯度，还差了整整六个数量级。”
会议室里陷入了死寂。
百分之九十九点九，在普通的冶金工业中，这已经是令人惊叹的高纯度。但对于控制单个电子的微观世界来说，这百分之零点一的杂质，就像是高速公路上堆满了巨石，足以让电子的流动发生彻底的散射和瘫痪。
李枭坐在主位上，手指轻轻地敲击着红木桌面。
“困难是客观存在的。但大西北的字典里，没有无法跨越的障碍。”
“从今天起，成立代号曙光的专项工程。”
“化学方法行不通，就用物理方法。从矿石开采到晶体提纯，整个工业链条全面配合。”
“把那种纯度达到百亿分之一的金属，炼出来。”
一场针对微观杂质的宏大工业战争，在李枭的指令下，全面打响。
第一个难题，是寻找原料。
锗，在地球地壳中的含量极为稀少，且极度分散，很少形成独立的矿床。它通常以微量的形式伴生在铅锌矿或者煤炭中。
大西北拥有庞大的煤炭消耗量。火力发电厂日夜不停地燃烧着成千上万吨的原煤，产生海量的粉煤灰。
这些被视为工业废料的粉煤灰，成为了提取锗的第一道原料场。
十一月初。陕北，第一火力发电厂附属灰渣处理站。
寒风卷着黑灰色的粉尘在空旷的场地上肆虐。
老赵穿着一套厚实的帆布工作服，脸上戴着带有活性炭滤芯的防毒面罩。他的工作环境十分恶劣，空气中充满了二氧化硫和硅酸盐粉尘。
一台巨大的刮板输送机，将发电厂电除尘器收集下来的粉煤灰源源不断地运送到处理站的料仓中。
老赵手里拿着一根长柄铁耙，疏通着料仓底部的下料口。
第一步：高温氯化焙烧。将粉煤灰与氯化钠、煤粉混合，送入温度高达九百摄氏度的回转窑中。在高温下，粉煤灰中微量的锗元素与氯气发生化学反应，生成四氯化锗气体。
第二步：气体冷凝与水解。四氯化锗气体的沸点较低，通过冷凝管液化后收集。随后将液态四氯化锗加入大量纯水中，发生剧烈的水解反应，生成白色的二氧化锗沉淀物。
第三步：氢气还原。将干燥后的二氧化锗粉末放入石英舟中，送入管式高温电炉。通入高纯度氢气。在六百五十摄氏度下，氢气夺走氧原子，生成水蒸气。留下的，是呈现出暗灰色金属光泽的初级海绵锗。
在这个庞大的处理站里，几百名工人像老赵一样，忍受着高温和腐蚀性气体的威胁。
他们处理了整整十万吨的粉煤灰，消耗了大量的化学试剂和电力。
最终，在十二月底。
他们仅仅提取出了不到二十公斤的初级金属锗。
这二十公斤的金属块，其纯度达到了百分之九十九。但它依然充满了磷、硼等杂质，离半导体材料的要求还有着天壤之别。
化学的提纯手段在这里耗尽了它的物理潜能。接下来的工作，被移交给了西京物理研究院的固态物理实验室。
实验室设在一座新建的全封闭大楼内。
物理学家们面对着这二十公斤暗灰色的金属锭，抛弃了酸碱反应，转而求助于热力学与结晶学的底层定律。
一种名为区域熔炼的全新物理提纯技术，在这里被首次应用。
十二月十五日。区域熔炼实验室。
实验室的中央，摆放着一台结构奇特的设备。
一根长达两米、内径约五厘米的高纯度透明石英管被水平固定在支架上。石英管的两端连接着气体管道，持续不断地向管内充入高纯度的惰性气体——氩气，以彻底排绝空气中的氧气，防止金属在高温下氧化。
在石英管的外部，套着一个由紫铜管绕制而成的高频感应加热线圈。这个线圈连接着一台大功率的射频发生器。线圈被安装在一个精密的机械滑轨上，可以在电机的驱动下，沿着石英管的轴向进行极其缓慢的平移。
科研主管刘峰戴着墨镜，站在控制台前。
“将百分之九十九纯度的锗锭放入石英管内的石墨舟中。密封管口。开启氩气置换。”刘峰下达指令。
操作员确认密封后，按下了射频发生器的启动按钮。
强大的高频交流电涌入紫铜线圈。根据电磁感应定律，交变磁场穿透石英管，在内部的锗锭中产生了强烈的涡流。
涡流的电阻热迅速汇聚。
在短短几分钟内。处于感应线圈正下方的那一小段锗锭，温度飙升至九百三十八摄氏度。
固态的金属锗在这一小段区域内发生了物理相变，融化成了一团银白色的液态熔池。由于熔池的宽度很窄，液态金属在表面张力的作用下，并没有流散，而是稳稳地悬浮在固态锗锭之间。
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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。