第431章 高纯度单晶矽
第434章 高纯度单晶矽
陈常在并不知道美国金字塔顶层的那些势力变化，还是那句话，他即便知道了也与他关系不大。
当美国人民还沉浸在失去他们总统的悲痛中时，陈常在却在电子科技研究院下属的，晶体矽材料研究所中，见证著一个奇迹的发生。
实验室中除了陈常在之外，电子研究院的三巨头，也就是那三位副院长：负责计算机的华教授、负责雷达的吴副院长、负责电子通讯的沈逸风。
这一刻也全都在这间实验室当中，而实验室里进行的就是单晶矽悬浮区熔法实验。
单晶矽，电子科技发展到电晶体时代的基础材料。
没有单晶矽就没有电晶体，没有单晶矽就没有晶片，就没有超级计算机，就没有电子科技的爆发。
陕北的电子科技研究院成立已经有五年了。
从电子科技研究院成立的第一天开始，对于电晶体的研究就没有停止过。
这个项目是陈常在最为注重的项目之一。
它的重要性已经超过了电子管计算机、雷达和通讯装备。
虽然这三项也非常重要，但是陈常在也知道，用不了多长时间，只是短短的十几年，美国人就能够拿出来第一代的商用电晶体产品。
当美国杜邦公司在1954年，第一次使用悬浮区熔法，拿出来了世界上第一根达到了六个9纯度的、也就是99.9999%的矽棒时，整个世界都被震惊了。
因为那时在这个世界的电子行业中，所有人都知道，电子行业的未来一定是单晶矽的世界。
虽然当时世界上通行的电晶体元件还是五个9（5N，以后以N来代表9）的锗电晶体。
即便是5N的单晶矽电晶体也才刚刚面世不久，可是在电子行业中，所有专家都知道，锗电晶体有著天生的缺陷。
首先就是锗这种矿物在地壳中的含量极低，只有0.0007%，而矽在地壳中的含量却有28%。
这种十万级别的成本差异，就没有什么可比性，只要突破了矽提纯技术，那么锗就只能在电子行业中被淘汰掉。
至少在基本的电子应用上，锗已经没有了立足之地。
再有就是，锗电晶体的禁带宽度太窄，而且它在高温环境下漏电暴增，会直接热失控。
锗的禁带宽度只有0.67eV，而矽的禁带宽度则能达到1.12eV，两边的差距接近一倍。
所谓的禁带宽度，简单的说就是半导体里的电子想要挣脱束缚参与导电，就必须要跨过的能量门槛。
而锗的门槛低，只要温度稍微一升高，达到了75—85摄氏度的时候，电子就会大量地跨过门槛四处乱串，造成漏电。
而矽的门槛高，热稳定性好，它可以稳定工作在150摄氏度以上还能约束住电子，不让它乱跑，这也就是后世矽替代了锗的主要原因。
除了耐高温之外，锗无法生成优质的氧化层，锗的氧化层易溶于水，结构疏松，绝缘性极差。
而矽在高温氧化后，能够形成稳定致密、绝缘的二氧化矽，这种材料特性是锗完全不具备的。
还有就是，锗晶体极易生长晶须，长期使用锗电晶体，必然会出现短路失效的情况。
因为锗的质地偏软，在电场、温度循环和机械应力下，锗晶体表面会自发生长出来细长的金属晶须，长度可以达到几毫米。
只要晶须碰到电极就会造成短路，而且这种东西还无法被提前发现，这就是任何军用装备都无法忍受的事情。
没有谁能够忍受飞机飞著飞著，突然电子控制系统短路失效了，这可就非常要命了。
所以锗电晶体被淘汰，也是必然会发生的事情，当然后世在电子行业中，锗也因为它特有的特性，在某些领域也是离不开它的。
比如矽锗射频晶片，光纤通讯领域，红外光学领域，锗也是不可或缺的。
可是虽然谁都知道矽材料在电子领域会一骑绝尘，但是想要得到高纯度的，能够制成合格电晶体的矽材料，可不是那么容易的事情。
想要得到矽材料，从矿山开采，到制成5N级单晶矽，这个过程就有十几个流程。
而直到1954年之前，世界上最多也就只能通过物理精炼提纯，再用提拉法制取出来5N
级的单晶矽和极少极少量的6N级单晶矽。
而陈常在这边，从一开始就是奔著6N级单晶矽去的。
因为5N级单晶矽虽然可以做放大电晶体，但是它的稳定性极差，故障率非常高。
而使用6N级单晶矽，才算是真正迈入了电晶体的世界。
其实对於单晶矽的使用，并不是越纯越好，提纯的目的，是把那些不受控制的原生杂质去除掉，把控制权拿到生产者手中。
尤其是硼和磷是单晶矽中需要清除的物质，这两种物质在制成矽晶的时候要尽可能的完全清除掉，它们就是影响矽纯度的主要杂质。
可是在制成单晶矽的时候，还要按著一定的比例再次添加硼和磷。
因为矽本身不导电，所以要依靠磷让矽多出来一个自由电子，依靠硼让矽产生空穴这两个材料都是帮助矽来进行导电的。
这两种材料在矽晶体内会产生单向导电的PN结，只允许电子单向运动，这也就是二极体和三极体工作的基本原理。
（这个东西说的太多了很复杂。）
陈常在等人站在实验室的一边，一声不响地看著矽材料研究所所长，陈常在的学生汪秉哲和他的同事们，正在小心地操作著一台机器。
在这台机器的内部，一根实验用的单晶矽棒已经成型。
这是汪秉哲他们连续工作了二十多个小时之后的成果。
而这台机器就是能够制成6N级单晶矽的核心，悬浮区熔单晶矽炉。
想要得到6N级以上的单晶矽，仅仅依靠物理提纯法已经是不可能了，物理提纯法的极限只能达到5N级。
后世大规模的提纯矽晶，都是用化学法加多级精馏塔提纯法来进行提纯。
后世提纯矽晶的精馏塔，最高的要一百多层。
而且对于这种极其复杂的提纯方法，陈常在完全不知道化学法里面的化学成分，也不清楚精馏塔的制造原理和过程。
虽然说精馏塔的基本意思就是通过不同物质的沸点，通过高温让这些物质分离出去。
但这东西说起来简单，想要做到那就不是一朝一夕的事情了。
而悬浮区熔法，这个在1954年被发明出来的提纯方法，陈常在还是知道一点的。
这个方法说白了就是把一根5N级矽料棒，用夹具夹住，悬挂在一个密封的石英管状炉中。
容器底部有一个柱状夹具，上面有一颗矽单晶籽晶，而在机器外面是一个高频感应线圈。
这种高频感应线圈在后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铁作坊里，用来快速给金属局部加热的那个东西，就是高频感应线圈。
它可以在不接触物体的时候给物体加温。
现在这台机器上的高频感应线圈，就是给石英管状炉中的那根矽棒在加热。
因为高频感应线圈在通电之后，会产生高速变化的交变磁场。
磁场穿透矽棒时，在矽棒内部感应出来涡电流，涡电流在矽的电阻上发热，这样就可以把矽棒局部加热到1414度的熔化温度。
可是悬浮区熔法，并不是要全部融化矽棒，而是要让矽棒局部融化后，依靠矽熔液的表面张力，把矽溶液留在原位。
简单的说，这个时候的矽棒融化段就像是装著水的气球，它是液态的，但是还没有流淌下来。
因为矽内部的杂质有著向液态方向流动的特性，所以悬浮区熔法就是用这种特性。
让矽棒在高频感应线圈中来回上下移动，让整个矽棒不断地融化凝固，来分离出来矽棒里面的杂质，让杂质向矽棒两端转移。
最后就能得到矽棒中间那一大段的，能够达到6N级别的高纯度单晶矽。
矽棒终于慢慢地完全自然冷却了之后，汪秉哲才和同事们一起打开了石英炉。
众人从炉中取出了一根一厘米粗、20厘米长，深灰黑色、泛著金属光泽的小棒。
当陈常在把这个单晶矽棒拿到手里之后，那上面让自己带著薄手套的手仅仅感觉到微热的余温，却让他的心都被这余温给烫得火热。
隔著口罩，陈常在深深地吸了一口气后，又慢慢地吐了出来。
他抚摸著这根单晶矽棒，对华教授和吴副院长几人说道：「只要它能够达到6N级别，那么我们的电子计算机就能缩小一百到一百五十倍，功耗也能从千瓦级，降低到瓦级。
我们的雷达将会做得更小，我们战斗机上装备的雷达将会看得更远，看得更准。
我们的单兵通讯设备，也会从十几斤重，变成几斤重。
你们能够想像吗？
只要有了它，未来我们甚至能够把我们山洞里那几十吨重的电子计算机，全都装进一本书一样大小的小计算机里面。
我们的战斗机雷达就能看到并锁定一百公里之外的目标。
我们未来通话的时候，只需要一个不到一斤重的小通话器，就能在世界各地自由通话。
有了它，我们就可以造出来真正的飞弹。
我们火箭弹上如果装上了一个由这个小东西制成的计算机大脑，那么这个火箭就可以自动地找到我们的敌人，锁定我们的敌人，然后把敌人干脆利落地给消灭掉。
有了它，未来我们就可以把我们的侦查设备用大火箭发射到外太空上去。
它将会在太空之中不受阻碍地，随时看到我们敌人的一举一动。
今天它的出现，是具有革命性意义的，说它可以翻江倒海、通天彻地也毫不为过啊！」
拿著单晶矽棒的陈常在，这时说话都有一点语无伦次了。
他不自觉地就把自己后世的一些东西都给模糊地说了出来。
可是陈常在说的这些，对于华教授和吴院长他们来说，却并不是胡言乱语。
他们就是搞电子科技的，他们的远见可是比一般人看得远得太多了。
对于这个单晶矽能够产生的作用，他们作为行家可是非常清楚的。
他们不但不会觉得陈常在畅想出来的未来过于科幻，反而会认为陈常在说的还是太过保守了。
在他们的眼中，这个单晶矽能够做到的要远远超过了陈常在的畅想。
他们认为，只要有了可以做到无限小的电子计算机和雷达，那么给一只苍蝇装上一套这样的设备，让苍蝇作为侦察尖兵也是完全可能的。
现在做不到只不过是技术还没有达到而已，只要技术达到了，那么一切就都有可能。
而今天已经正式推开了矽晶体世界的大门，那么未来达到自己理想的世界还会远吗？
早晚有一天，他们所有的畅想都会变成真正的现实，对于这一点他们全都深信不疑。
（不要以为我们老一辈科学家缺乏想像力。
要知道我们现在的武器装备，包括最新型的武器装备，它们最初的设想图纸都是他们那一辈人给出来的。
只是当时的技术还没有达到而已。
有兴趣的话可以了解一下钱老提出的，虚拟实境的灵境计划，人机合体的人工智慧计划，曙光一号载人飞船计划，钱老1962年写出的《星际航行概论》和太空码头计划。
如此种种可是太多了。）
华教授也伸手抚摸了一下陈常在手中的那根矽棒，他的手这时都有点在颤抖。
对於单晶矽电晶体和集成电路的构想，他已经研究了好几年了。
可是想要得到高纯度的单晶矽哪里是那么容易的，如今这根虽然还没有经过检测，但却给了他极大希望的单晶矽棒就出现在了他的眼前。
他感觉这一刻的幸福感，让他几乎都有了一种忘乎所以的，想要仰天长啸的感觉。
可是温润的性格还是压制住了他的激动，他只是颤抖地抚摸了几下这根单晶矽棒，然后说道：「好、好、好啊，真好啊！」
而这时吴院长和沈逸风两人也都是两眼放光地看著陈常在手中的这根单晶矽棒，他们内心的激动也是溢于言表。
当陈常在抬起头，看向了今天的大功臣汪秉哲和他的同事们时，他看到的是一张张早已经泪流满面的面孔。
这么多年了，他们日夜煎熬，今天终于是把第一道题给答出来了。
虽然还不知道最后能够得多少分，但是他们相信今天一定会有个满意的分数。
陈常在这时说道：「秉哲，进行最后的检测」
「是，老师。」汪秉哲大声喊道。
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