第五十一章，做不出硅晶体管就别过年了
第五十一章，做不出硅晶体管就别过年了
中国对锗半导体技术的信心来自于北京计算机所半导体实验室的技术储备和技术研发实力。
虽然实验室的成员只有17名，但研发方向包括了从半导体材料的分子特性到流水线工艺的各个方面。
当然，实验室不只是一个团队在奋战，而是有外联关系和助力。比如锗熔融状态的物理原理，有中南矿冶（今天的中南大学）、有色金属研究院和北京钢院（北京科技大学）支撑。最初在实验室里和李强一起突破锗半导体熔铸大关的黄培云教授，现在又回到了中南矿冶，并在中南矿冶设立了半导体材料研究中心。
在具体的流水线工艺方面，实验室是和774a厂联动的。现在锗半导体流水线已经实现了锗条自动切割；锗粒嵌入封装的工具已经发展了3代，从最初的手工装配发展到现在只需把锗粒在显微镜下对准然后“咔嚓”一卡。
哦，还得提一句774a厂隔壁的774厂。经过两年多的建设，774厂终于在1954年底试生产出了第一批……真空电子管。
鉴于现在一些需要大功率/大电流控制的场合真空电子管还有它的用场，所以774厂还是得继续建成，只是预设的生产规模裁减的3/4。其实774厂不只生产真空管，它还生产电阻电容电感电路板交直换流器（电源）等等电子/电气元件，现在这些相关的电气元件的生产线反倒比真空管生产线更受重视。
前来帮中国援建774厂的苏联专家很是无语，这些中国同志怎么计划说改就改？这可是91项国家级重点工程之一！一会儿要裁减一条真空管生产线，一会儿要增加电路板车间，就不怕国家计委和那个国资委过来把你们抓去西藏种青稞吗？
然而国资委并不。反而是如果工厂筹建委员会没有响应上级的修改指示调整建造计划，筹建委员会可能会被全体撸掉。
不过，774这个“过时”的真空管厂仍然给中国的电子工业带来了极大的助力。除了那些“真空管以外”的元件生产之外，重要的是获得了一套产业工人的培训、培养、组织方式，并且774厂在筹建过程中就为774a厂输送了不少工人，即便在774厂也投产之后，774厂配套的中专也是同时为774和774a服务的。
——中专。对，苏联在援建774厂的时候还顺便援建了一座电子电气类的中专/技校，作为774厂的附属品。
在向主席汇报时，李强总结了各个方面的成果，得出结论锗晶体管的工艺已经非常有谱。现在下一代产品已经蓄势待发，下下一代产品也在做规划了。
下下一代晶体管将分为两个版本，第一个版本的尺寸大小与现在的差不多，三脚黄豆状，但是成本会达到1元人民币左右（上一代是1.7元，上上一代也就是现在在生产的是2.1元）；第二个版本是尺寸更小的晶体管，体积大约是现在产品的一半，这样可以支持制造更轻巧的民用电子消费品。
李强估计，国内锗晶体管工艺目前确定可以保持3~4年的领跑态势。4年之后呢？
4年之后的事，李强认为希望在上海。
……
上海，也就是被聂荣臻“强行”调到复旦大学的黄昆。这快两年的时间，黄昆在复旦电子系建立了一个半导体实验室，和北京的实验室遥相呼应。
黄昆专攻的是硅材质晶体管制造。
威廉巴丁和肖克利造的初代晶体管是锗基，后来大家都跟风，毕竟已经有人趟过了这条路。但是锗虽然大家运用起来比较熟悉，但是它有一个致命缺陷：—锗晶体管在“关闭”状态下，存在漏电流，也就是说，它没有办法真正意义上形成数字计算机的逻辑上的“o”，在电路设计的时候就必须把低于多少多少毫安的电流忽略掉才行。
同时，锗晶体管还比较娇贵，它的工作温度区间只能限制在0~70摄氏度之间，用在一般的商业计算机上是没问题的，作为军用就有些问题了。
对了，说的就是美国。美国空军给b-52配置了贝尔实验室的tradic天价机载计算机，装上飞机不久就发现这货当飞机升到1万米的时候经常失灵，这就是超高空温度降到0摄氏度以下的缘故。发现失灵现象的时候是54年9月，这会儿美国空军刚给tradic打完补丁：在tradic的机箱外面加电暖器。
更热闹的还是等明年吧，明年美国空军计划用装备tradic的b-52做空投核弹试验。
回到黄昆的研究上。这将近两年的时间，黄昆取得的成果是……没有成果。
“黄教授，啊，其实也没什么事，我就是告知一下，从53年3月到54年11月，集团往你们半导体实验室的投资已经达到了……30万元人民币。是的，这只包含设备购置的投资，人员工资还不包括在内。”
催命电话不是上电集团的总经理打来的，是秘书。
秘书的意思就是，你们半导体实验室得拿出点成果了。
黄昆挂掉电话，叹了口气，年关难过啊。
半导体实验室现在还没拿出成品的硅晶体管，更没有鼓捣出来可用于量产的硅晶体管工艺书。
黄昆的工作是从贝尔实验室的化学家加尔文富勒的一篇论文开始的。这篇1952年发表的论文阐述了一种将杂质掺入到半导体（包括硅和锗）晶体中的方法。是通过将杂质暴露在含有所需掺杂剂的高温气体中并加压，使得硅或者锗单晶体中能够掺入杂质。掺入杂质的硅或锗就会形成pn结。
加尔文富勒还说，通过调整曝光的时间和温度，能够精确地控制引入的杂质的数量和它们的穿透深度，这种掺入杂质的方法精度达1微米甚至更小。
但是具体的工艺呢？加尔文富勒没说。这是论文，不是专利说明书。
至于专利说明书，好像贝尔实验室还没提交申请，可能是贝尔实验室想捂盘，也可能是加尔文富勒只搞出了理论，而产品还没做出来。
（硅扩散的工艺技术正式发表是在1956年，由托马斯和塔尼巴恩撰写的贝尔系统技术期刊第35卷《扩散发射极和基极硅晶体管》）
当黄昆研究加尔文富勒的论文时，差的还不仅仅是具体工艺细节。实际上黄昆先和有色冶炼行业纠缠了半年。基于进口产品仿制的电炉为了融化硅，得提高温度；冶炼出来的硅单质纯度四个9，好像不太够，又要求他们提高到五个9。
再然后，黄昆得自己设计一种实验器材或者工业设备，能容纳含有掺杂剂的高温气体并让高温气体接触硅板。这个实验器材就在黄昆隔壁的实验室里，奇形怪状的一台大机器，虽然有一半零件是实验室成员自制的，但另一半的零件仍然花掉了3万块钱。
在1954年，黄昆做的工作和贝尔实验室的几个工程师其实差不多。在贝尔实验室，加尔文富勒的论文发表之后，贝尔实验室也花了很长时间来设计专用机器，全部就绪已经到了1954年1月。在1月份，加尔文.富勒与皮尔森、达里尔查平成功地将一层硼原子扩散到n型硅板中，形成了大面积的p-n结。
再然后，加尔文富勒把路走歪了。他们发现光照在这块硅板上的时候，硅板竟然产生了电流，还挺强。贝尔实验室另一组人赶紧把6块硅板组合起来，接通电路，放到太阳下，获得了185毫瓦的光伏功率。于是在1954年4月，贝尔实验室宣布他们制成了世界第一种太阳能电池。至于晶体管，只在实验室里象征性地做出了一只样品，贝尔实验室期待未来出现更先进更廉价的加工方式，到那时候再量产晶体管。
（其实刚刚诞生头两年的硅晶体管价格是锗晶体管的数倍，但仍然有市场，因为美国的军用计算机需要）
1954年5月，德州仪器宣布他们解决了硅晶体管的制造工艺技术，贝尔实验室的领先地位被抢。
不只是贝尔实验室，黄昆这边也埋头在做硅晶体管，当他看到ire大会上德州仪器公司代表上台吹逼的报道，也是眼前一黑。
糟了，自己不是世界第一了。
……
“黄教授！您总算是来了！！”
向中南矿冶求救，五天之后援兵终于到来。当黄昆见到黄培云出现在火车车厢门口，赶紧迎上去。现在他的这位本家兼前辈是半导体实验室唯一的希望。
“黄教授，您当年拯救过锗晶体管，今年也一定能拯救我们……”
黄培云摇摇头：“这次我不是主力，后面这两位才是。他们是我带的学生，都是研二。”
黄培云回到中南矿冶，就开实验室招学生搞半导体材料的研究。带来的两个研究生何太平、孙严本科不是中南矿冶的，是武汉大学的（中南矿冶建校才3年），在实验室的诸多学生中表现最突出，而且研究的都是硅材料方向。
……
“这就是你们实验室吗？一看就很有熟悉的样子，”何太平说，“我们实验室也是电炉，电炉，一天到晚热烘烘的。”
黄昆：“确实是热烘烘的，我们在尝试冶炼6个9的硅，电炉一直在不停地开着。本来以为五个9应该够了，至少做出试验品是够了，可后来试制老是失败，我又退回去从头做理论计算，确定了就是因为硅不够纯才失败的，得继续提高纯度。”