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。