第431章 高纯度单晶硅（1/2）

第434章 高纯度单晶硅

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，晶体硅材料研究所中，见证着一个奇迹的发生。

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、负责电子通信的沈逸风。

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硅悬浮区熔法实验。

单晶硅，电子科技发展到晶体管时代的基础材料。

没有单晶硅就没有晶体管，没有单晶硅就没有芯片，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，对于晶体管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、雷达和通信装备。

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晶体管产品。

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%的硅棒时，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硅的世界。

虽然当时世界上通行的晶体管组件还是五个9（5N，以后以N来代表9）的锗晶体管。

即便是5N的单晶硅晶体管也才刚刚面世不久，可是在电子行业中，所有专家都知道，锗晶体管有着天生的缺陷。

首先就是锗这种矿物在地壳中的含量极低，只有0.0007%，而硅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，只要突破了硅提纯技术，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，锗晶体管的禁带宽度太窄，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，而硅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。

而硅的门槛高，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，这也就是后世硅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。

而硅在高温氧化后，能够形成稳定致密、绝缘的二氧化硅，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，长期使用锗晶体管，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着飞着，突然电子控制系统短路失效了，这可就非常要命了。

所以锗晶体管被淘汰，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。

比如硅锗射频芯片，光纤通信领域，红外光学领域，锗也是不可或缺的。

可是虽然谁都知道硅材料在电子领域会一骑绝尘，但是想要得到高纯度的，能够制成合格晶体管的硅材料，可不是那么容易的事情。

想要得到硅材料，从矿山开采，到制成5N级单晶硅，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

级的单晶硅和极少极少量的6N级单晶硅。

而陈常在这边，从一开始就是奔着6N级单晶硅去的。

因为5N级单晶硅虽然可以做放大晶体管，但是它的稳定性极差，故障率非常高。

而使用6N级单晶硅，才算是真正迈入了晶体管的世界。

其实对於单晶硅的使用，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硅中需要清除的物质，这两种物质在制成硅晶的时候要尽可能的完全清除掉，它们就是影响硅纯度的主要杂质。

可是在制成单晶硅的时候，还要按着一定的比例再次添加硼和磷。

因为硅本身不导电，所以要依靠磷让硅多出来一个自由电子，依靠硼让硅产生空穴这两个材料都是帮助硅来进行导电的。

这两种材料在硅晶体内会产生单向导电的PN结，只允许电子单向运动，这也就是二极管和三极管工作的基本原理。

（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，一声不响地看着硅材料研究所所长，陈常在的学生汪秉哲和他的同事们，正在小心地操作着一台机器。

在这台机器的内部，一根实验用的单晶硅棒已经成型。

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级单晶硅的内核，悬浮区熔单晶硅炉。

想要得到6N级以上的单晶硅，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。

后世大规模的提纯硅晶，都是用化学法加多级精馏塔提纯法来进行提纯。

后世提纯硅晶的精馏塔，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级硅料棒，用夹具夹住，悬挂在一个密封的石英管状炉中。

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