第428章 从锗到硅的跨越
第428章 从锗到硅的跨越 (第1/2页)当一九四八年的最后一个月降临，地球北半球再次被冬季的低温所统治。亚洲大陆的广袤腹地，在西伯利亚冷高压的控制下，气温普遍跌破了零摄氏度。但在大西北的工业体系中，热力学的对抗已经从宏观的取暖防寒，深入到了微观电子的跃迁控制。
在过去的几年里，大西北利用锗点接触型晶体管，成功将庞大如房屋的电子管计算昆仑一号压缩成了几个机柜大小的昆仑二号。这种微观算力的爆发，赋予了天狼星战斗机在同温层盲视锁定的能力，也让洲际弹道导弹拥有了不依赖外部指令的独立惯性大脑。
然而，在这个被硅基梦想点燃的严冬，电子工程院却面临着一个足以让所有高端武力投射陷入瘫痪的死局。
西京市北郊，大西北航空电子测试中心。
一个密闭的环境模拟舱内，正在进行着一场极端的折磨测试。
模拟舱中央固定着一台为新一代超音速截击机研发的火控计算机原型机。这台机器内部密布着数千个由高纯度锗单晶制造的晶体管。
“舱内气压降低至零点二个标准大气压。开始执行升温程序。”测试主管盯着控制台。
模拟舱四周的红外加热管开始释放庞大的热辐射。
在超音速飞行中，空气与飞机蒙皮的剧烈摩擦会产生高达一百度以上的高温。工程师必须确保计算机依然能够进行毫秒级的雷达波束解算。
舱内温度计的指针稳步攀升。
三十度、五十度、七十度。
当温度达到七十五摄氏度时，监控面板上的电流数据发生了波动。
“逻辑门电路出现翻转错误！寄存器数据发生乱码溢出！”操作员大声汇报。
测试主管的眉头紧锁。
“温度继续上升，八十度。”
“砰！”
伴随着一声轻微的爆响，计算机原型机内部冒出了一缕黑烟。示波器上的波形瞬间归零，变成了一条死寂的直线。
“切断电源。打开舱门。”主管叹了口气，在测试报告上重重地写下了“失败”两个字。
这不是加工精度的问题，也不是电路设计的问题。这是元素周期表设定的一道天花板。
几天后，理研究院的会议室内。
赵广陵教授站在黑板前，黑板上画着锗原子的能带结构图。
“锗晶体管的温度，被锁定在七十五摄氏度左右。”赵广陵的语气中透着一丝无奈。
他拿起粉笔，指着导带和价带之间的空白区域。
“锗的禁带宽度只有零点六六电子伏特。”
“这意味着约束锗原子核外价电子的能量势垒非常低。在常温下，只有我们人为掺入的杂质原子提供的电子参与导电，这叫多数载流子，也是晶体管能够放大信号的基础。”
赵广陵在黑板上画了几条表示热能辐射的波浪线。
“但是，当环境温度升高到七八十度时，热能提供的能量就足以让锗原子本身的大量价电子直接跨越那窄窄的禁带，跃迁到导带中。”
“这些因为高温产生的电子被称为本征载流子。它们会像决堤的洪水一样，瞬间淹没我们人为控制的晶体管通道。此时，单向导电性彻底崩溃，晶体管不再是一个可以控制的开关或放大器，而变成了一块毫无阻力的纯导体。电流失去控制，最终导致元件因过热而烧毁。”
“只要我们还在使用锗，我们的雷达就不能装进超音速飞机，我们的导弹在重返大气层时就会变成瞎子。甚至我们的昆仑二号超算，在冬天也必须开着大功率的制冷空调来防止它自己烧掉。”
赵广陵放下粉笔，转身看向在场的材料学家和化学家们。
“我们必须寻找一种禁带宽度更大、能够在高温下死死锁住本征载流子的新材料。”
赵广陵的目光落在了一张元素周期表上，指尖指向了锗元素正上方的位置。
“第十四号元素。硅。”
“硅的禁带宽度是一点一二电子伏特，几乎是锗的两倍。数学模型显示，硅晶体管能够承受两百摄氏度以上的高温而不发生热失控。它在地球地壳中的丰度排名第二，仅次于氧。可以说，我们脚下的沙子和石头里，到处都是硅。”
“但大自然是公平的。硅虽然多，但它比锗更难驾驭。”
赵广陵列出了转向硅基材料面临的三道鸿沟。
“第一，熔点高。锗在九百三十八度就会融化，而硅的熔点高达一千四百一十四度。在这个温度下，硅熔体具有极强的化学活性，它会像强酸一样溶解掉绝大多数已知的耐火材料坩埚，从而引入致命的杂质。”
“第二，提纯难。我们用区域熔炼法把锗提纯到了百亿分之一。但硅的表面张力和液态密度特性，导致区域熔炼在硅身上效果极差，熔区容易断裂崩塌。我们必须寻找新的单晶生长方法。”
“第三，加工难。硅的硬度远高于锗，且极度脆硬，金刚石切割时容易产生微观裂纹。而它表面在空气中极易形成一层致密的二氧化硅绝缘层，这会阻碍后续的杂质掺杂扩散。”
从锗到硅的跨越，不是简单的材料替换，而是一场要求大西北整个冶金、化工和精密机械体系进行全面升维的工业长征。
任务下达，大西北的微观机器开始全速运转。
第一关：寻找能够装下液态硅的容器。
高纯度硅的熔炼不能使用金属坩埚，那会直接将铁、镍等金属原子污染进去。普通的氧化铝陶瓷在高温硅液面前也会发生反应。
西京特种玻璃厂和硅酸盐研究所接到了死命令：制造高纯度石英坩埚。
原料不是普通的石英砂，而是从特定矿区开采的水晶原矿。
工人们在全封闭的防尘车间内，将水晶块进行反复的酸洗、水洗去离子化，去除表面的碱金属离子。随后破碎成微米级的粉末。
在电弧熔炼炉中，利用碳电极产生的数千度高温电弧，在真空环境下将石英粉末融化。此时，石英呈现出极其粘稠的玻璃态。利用旋转的石墨模具，在离心力的作用下，将液态石英甩向模具内壁，成型为碗状的坩埚。
但这种坩埚内部含有大量微小的气泡。在拉制单晶时，气泡破裂会扰乱硅液的流场。工程师们采用了真空脱气技术。在坩埚成型的高温阶段，强行抽出内部气体，使其变成透明、无气泡的透明石英玻璃坩埚。其内部杂质浓度被严格控制在百万分之几级别。
即使是高纯度石英，在接触到一千四百度的高温硅液时，依然会发生微弱的反应，导致少量的氧原子进入硅液中。但这是在当时的材料科学下，唯一能够勉强维持平衡的妥协方案。
既然水平方向的区域熔炼法对硅失效，物理学家们将目光转向了垂直方向的直拉法。
一九四八年十一月。西京第九特种半导体制造厂，直拉单晶车间。
车间内被一种类似于潜水艇内部的压抑感所笼罩。
中央矗立着一台高达三米的单晶炉。它由厚重的水冷不锈钢外壳封闭，内部是一个充满高纯度氩气的真空腔体。
腔体底部，放置着那个新造出来的透明石英坩埚。坩埚外侧环绕着石墨加热器。
操作员李刚穿着隔热服，戴着深色滤光眼镜，透过炉壁上的石英观察窗，盯着内部的反应。
“石墨加热器功率提升至五十千瓦。坩埚内高纯度多晶硅块开始熔化。”李刚对着通讯器汇报。
透过观察窗，可以看到石英坩埚内的硅块在高温下逐渐坍塌，最终化为一汪闪烁着刺眼白光的液态硅熔池。温度稳定在一千四百五十度左右。
“降下籽晶杆。”
在单晶炉的顶部，一根通过精密伺服电机控制的金属拉杆缓缓下降。拉杆的末端，夹着一小块具有完美晶格取向的单晶硅籽晶。
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