第五十一章，做不出矽晶體管就別過年了
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第五十一章，做不出矽晶體管就別過年了
中國對鍺半導體技術的信心來自於北京計算機所半導體實驗室的技術儲備和技術研發實力。
雖然實驗室的成員只有17名，但研發方向包括了從半導體材料的分子特性到流水線工藝的各個方面。
當然，實驗室不只是一個團隊在奮戰，而是有外聯關系和助力。比如鍺熔融狀態的物理原理，有中南礦冶（今天的中南大學）、有色金屬研究院和北京鋼院（北京科技大學）支撐。最初在實驗室裏和李強一起突破鍺半導體熔鑄大關的黃培雲教授，現在又回到了中南礦冶，並在中南礦冶設立了半導體材料研究中心。
在具體的流水線工藝方面，實驗室是和774A廠聯動的。現在鍺半導體流水線已經實現了鍺條自動切割；鍺粒嵌入封裝的工具已經發展了3代，從最初的手工裝配發展到現在只需把鍺粒在顯微鏡下對準然後“哢嚓”一卡。
哦，還得提一句774A廠隔壁的774廠。經過兩年多的建設，774廠終於在1954年底試生產出了第一批……真空電子管。
鑒於現在一些需要大功率/大電流控制的場合真空電子管還有它的用場，所以774廠還是得繼續建成，只是預設的生產規模裁減的3/4。其實774廠不只生產真空管，它還生產電阻電容電感電路板交直換流器（電源）等等電子/電氣元件，現在這些相關的電氣元件的生產線反倒比真空管生產線更受重視。
前來幫中國援建774廠的蘇聯專家很是無語，這些中國同志怎麽計劃說改就改？這可是91項國家級重點工程之一！一會兒要裁減一條真空管生產線，一會兒要增加電路板車間，就不怕國家計委和那個國資委過來把你們抓去西藏種青稞嗎？
然而國資委並不。反而是如果工廠籌建委員會沒有響應上級的修改指示調整建造計劃，籌建委員會可能會被全體擼掉。
不過，774這個“過時”的真空管廠仍然給中國的電子工業帶來了極大的助力。除了那些“真空管以外”的元件生產之外，重要的是獲得了一套產業工人的培訓、培養、組織方式，並且774廠在籌建過程中就為774A廠輸送了不少工人，即便在774廠也投產之後，774廠配套的中專也是同時為774和774A服務的。
——中專。對，蘇聯在援建774廠的時候還順便援建了一座電子電氣類的中專/技校，作為774廠的附屬品。
在向主席匯報時，李強總結了各個方面的成果，得出結論鍺晶體管的工藝已經非常有譜。現在下一代產品已經蓄勢待發，下下一代產品也在做規劃了。
下下一代晶體管將分為兩個版本，第一個版本的尺寸大小與現在的差不多，三腳黃豆狀，但是成本會達到1元人民幣左右（上一代是1.7元，上上一代也就是現在在生產的是2.1元）；第二個版本是尺寸更小的晶體管，體積大約是現在產品的一半，這樣可以支持制造更輕巧的民用電子消費品。
李強估計，國內鍺晶體管工藝目前確定可以保持3~4年的領跑態勢。4年之後呢？
4年之後的事，李強認為希望在上海。
……
上海，也就是被聶榮臻“強行”調到覆旦大學的黃昆。這快兩年的時間，黃昆在覆旦電子系建立了一個半導體實驗室，和北京的實驗室遙相呼應。
黃昆專攻的是矽材質晶體管制造。
威廉巴丁和肖克利造的初代晶體管是鍺基，後來大家都跟風，畢竟已經有人趟過了這條路。但是鍺雖然大家運用起來比較熟悉，但是它有一個致命缺陷：—鍺晶體管在“關閉”狀態下，存在漏電流，也就是說，它沒有辦法真正意義上形成數字計算機的邏輯上的“O”，在電路設計的時候就必須把低於多少多少毫安的電流忽略掉才行。
同時，鍺晶體管還比較嬌貴，它的工作溫度區間只能限制在0~70攝氏度之間，用在一般的商業計算機上是沒問題的，作為軍用就有些問題了。
對了，說的就是美國。美國空軍給B-52配置了貝爾實驗室的TRADIC天價機載計算機，裝上飛機不久就發現這貨當飛機升到1萬米的時候經常失靈，這就是超高空溫度降到0攝氏度以下的緣故。發現失靈現象的時候是54年9月，這會兒美國空軍剛給TRADIC打完補丁：在TRADIC的機箱外面加電暖器。
更熱鬧的還是等明年吧，明年美國空軍計劃用裝備TRADIC的B-52做空投核彈試驗。
回到黃昆的研究上。這將近兩年的時間，黃昆取得的成果是……沒有成果。
“黃教授，啊，其實也沒什麽事，我就是告知一下，從53年3月到54年11月，集團往你們半導體實驗室的投資已經達到了……30萬元人民幣。是的，這只包含設備購置的投資，人員工資還不包括在內。”
催命電話不是上電集團的總經理打來的，是秘書。
秘書的意思就是，你們半導體實驗室得拿出點成果了。
黃昆掛掉電話，嘆了口氣，年關難過啊。
半導體實驗室現在還沒拿出成品的矽晶體管，更沒有鼓搗出來可用於量產的矽晶體管工藝書。
黃昆的工作是從貝爾實驗室的化學家加爾文富勒的一篇論文開始的。這篇1952年發表的論文闡述了一種將雜質摻入到半導體（包括矽和鍺）晶體中的方法。是通過將雜質暴露在含有所需摻雜劑的高溫氣體中並加壓，使得矽或者鍺單晶體中能夠摻入雜質。摻入雜質的矽或鍺就會形成PN結。
加爾文富勒還說，通過調整曝光的時間和溫度，能夠精確地控制引入的雜質的數量和它們的穿透深度，這種摻入雜質的方法精度達1微米甚至更小。
但是具體的工藝呢？加爾文富勒沒說。這是論文，不是專利說明書。
至於專利說明書，好像貝爾實驗室還沒提交申請，可能是貝爾實驗室想捂盤，也可能是加爾文富勒只搞出了理論，而產品還沒做出來。
（矽擴散的工藝技術正式發表是在1956年，由托馬斯和塔尼巴恩撰寫的貝爾系統技術期刊第35卷《擴散發射極和基極矽晶體管》）
當黃昆研究加爾文富勒的論文時，差的還不僅僅是具體工藝細節。實際上黃昆先和有色冶煉行業糾纏了半年。基於進口產品仿制的電爐為了融化矽，得提高溫度；冶煉出來的矽單質純度四個9，好像不太夠，又要求他們提高到五個9。
再然後，黃昆得自己設計一種實驗器材或者工業設備，能容納含有摻雜劑的高溫氣體並讓高溫氣體接觸矽板。這個實驗器材就在黃昆隔壁的實驗室裏，奇形怪狀的一臺大機器，雖然有一半零件是實驗室成員自制的，但另一半的零件仍然花掉了3萬塊錢。
在1954年，黃昆做的工作和貝爾實驗室的幾個工程師其實差不多。在貝爾實驗室，加爾文富勒的論文發表之後，貝爾實驗室也花了很長時間來設計專用機器，全部就緒已經到了1954年1月。在1月份，加爾文.富勒與皮爾森、達裏爾查平成功地將一層硼原子擴散到n型矽板中，形成了大面積的P-N結。
再然後，加爾文富勒把路走歪了。他們發現光照在這塊矽板上的時候，矽板竟然產生了電流，還挺強。貝爾實驗室另一組人趕緊把6塊矽板組合起來，接通電路，放到太陽下，獲得了185毫瓦的光伏功率。於是在1954年4月，貝爾實驗室宣布他們制成了世界第一種太陽能電池。至於晶體管，只在實驗室裏象征性地做出了一只樣品，貝爾實驗室期待未來出現更先進更廉價的加工方式，到那時候再量產晶體管。
（其實剛剛誕生頭兩年的矽晶體管價格是鍺晶體管的數倍，但仍然有市場，因為美國的軍用計算機需要）
1954年5月，德州儀器宣布他們解決了矽晶體管的制造工藝技術，貝爾實驗室的領先地位被搶。
不只是貝爾實驗室，黃昆這邊也埋頭在做矽晶體管，當他看到IRE大會上德州儀器公司代表上臺吹逼的報道，也是眼前一黑。
糟了，自己不是世界第一了。
……
“黃教授！您總算是來了！！”
向中南礦冶求救，五天之後援兵終於到來。當黃昆見到黃培雲出現在火車車廂門口，趕緊迎上去。現在他的這位本家兼前輩是半導體實驗室唯一的希望。
“黃教授，您當年拯救過鍺晶體管，今年也一定能拯救我們……”
黃培雲搖搖頭：“這次我不是主力，後面這兩位才是。他們是我帶的學生，都是研二。”
黃培雲回到中南礦冶，就開實驗室招學生搞半導體材料的研究。帶來的兩個研究生何太平、孫嚴本科不是中南礦冶的，是武漢大學的（中南礦冶建校才3年），在實驗室的諸多學生中表現最突出，而且研究的都是矽材料方向。
……
“這就是你們實驗室嗎？一看就很有熟悉的樣子，”何太平說，“我們實驗室也是電爐，電爐，一天到晚熱烘烘的。”
黃昆：“確實是熱烘烘的，我們在嘗試冶煉6個9的矽，電爐一直在不停地開著。本來以為五個9應該夠了，至少做出試驗品是夠了，可後來試制老是失敗，我又退回去從頭做理論計算，確定了就是因為矽不夠純才失敗的，得繼續提高純度。”
黃培雲：“這你們實驗室可能確實是有色金屬冶煉的基礎底子略差。其實這個時候應該用浮動區法生長的矽晶體。”
黃昆：“這我們真不會。”
黃培雲：“浮動區生長是三幾年英國人提出來的，雖然麻煩了一點，但咱們的設備修改修改還算可以達到。就是個氧氣比較討厭，然後我發動半個系的學生動手，搭了個真空環境，後來就搞成了。”
黃昆：“得，看來我們實驗室也要按你說的真空冶煉的模式改造電爐冶煉室了。”
黃培雲：“真空冶煉設備改在還是年後再說吧。你在電話裏說年底得加緊搞出一個有效的技術成果，否則半導體實驗室就有麻煩了。年底肯定是完不成電爐改造的。何太平，把包拿出來讓小黃瞅瞅。”
何太平打開自己拖著來的皮箱，掏出一個嚴嚴實實包裹著的東西。然後打開包裹。
“黃主任，這是，我們在中南礦冶實驗室做出來的頭一批浮動區法生長的矽晶體。應該夠你們做實驗樣本了吧。”
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中國對鍺半導體技術的信心來自於北京計算機所半導體實驗室的技術儲備和技術研發實力。
雖然實驗室的成員只有17名，但研發方向包括了從半導體材料的分子特性到流水線工藝的各個方面。
當然，實驗室不只是一個團隊在奮戰，而是有外聯關系和助力。比如鍺熔融狀態的物理原理，有中南礦冶（今天的中南大學）、有色金屬研究院和北京鋼院（北京科技大學）支撐。最初在實驗室裏和李強一起突破鍺半導體熔鑄大關的黃培雲教授，現在又回到了中南礦冶，並在中南礦冶設立了半導體材料研究中心。
在具體的流水線工藝方面，實驗室是和774A廠聯動的。現在鍺半導體流水線已經實現了鍺條自動切割；鍺粒嵌入封裝的工具已經發展了3代，從最初的手工裝配發展到現在只需把鍺粒在顯微鏡下對準然後“哢嚓”一卡。
哦，還得提一句774A廠隔壁的774廠。經過兩年多的建設，774廠終於在1954年底試生產出了第一批……真空電子管。
鑒於現在一些需要大功率/大電流控制的場合真空電子管還有它的用場，所以774廠還是得繼續建成，只是預設的生產規模裁減的3/4。其實774廠不只生產真空管，它還生產電阻電容電感電路板交直換流器（電源）等等電子/電氣元件，現在這些相關的電氣元件的生產線反倒比真空管生產線更受重視。
前來幫中國援建774廠的蘇聯專家很是無語，這些中國同志怎麽計劃說改就改？這可是91項國家級重點工程之一！一會兒要裁減一條真空管生產線，一會兒要增加電路板車間，就不怕國家計委和那個國資委過來把你們抓去西藏種青稞嗎？
然而國資委並不。反而是如果工廠籌建委員會沒有響應上級的修改指示調整建造計劃，籌建委員會可能會被全體擼掉。
不過，774這個“過時”的真空管廠仍然給中國的電子工業帶來了極大的助力。除了那些“真空管以外”的元件生產之外，重要的是獲得了一套產業工人的培訓、培養、組織方式，並且774廠在籌建過程中就為774A廠輸送了不少工人，即便在774廠也投產之後，774廠配套的中專也是同時為774和774A服務的。
——中專。對，蘇聯在援建774廠的時候還順便援建了一座電子電氣類的中專/技校，作為774廠的附屬品。
在向主席匯報時，李強總結了各個方面的成果，得出結論鍺晶體管的工藝已經非常有譜。現在下一代產品已經蓄勢待發，下下一代產品也在做規劃了。
下下一代晶體管將分為兩個版本，第一個版本的尺寸大小與現在的差不多，三腳黃豆狀，但是成本會達到1元人民幣左右（上一代是1.7元，上上一代也就是現在在生產的是2.1元）；第二個版本是尺寸更小的晶體管，體積大約是現在產品的一半，這樣可以支持制造更輕巧的民用電子消費品。
李強估計，國內鍺晶體管工藝目前確定可以保持3~4年的領跑態勢。4年之後呢？
4年之後的事，李強認為希望在上海。
……
上海，也就是被聶榮臻“強行”調到覆旦大學的黃昆。這快兩年的時間，黃昆在覆旦電子系建立了一個半導體實驗室，和北京的實驗室遙相呼應。
黃昆專攻的是矽材質晶體管制造。
威廉巴丁和肖克利造的初代晶體管是鍺基，後來大家都跟風，畢竟已經有人趟過了這條路。但是鍺雖然大家運用起來比較熟悉，但是它有一個致命缺陷：—鍺晶體管在“關閉”狀態下，存在漏電流，也就是說，它沒有辦法真正意義上形成數字計算機的邏輯上的“O”，在電路設計的時候就必須把低於多少多少毫安的電流忽略掉才行。
同時，鍺晶體管還比較嬌貴，它的工作溫度區間只能限制在0~70攝氏度之間，用在一般的商業計算機上是沒問題的，作為軍用就有些問題了。
對了，說的就是美國。美國空軍給B-52配置了貝爾實驗室的TRADIC天價機載計算機，裝上飛機不久就發現這貨當飛機升到1萬米的時候經常失靈，這就是超高空溫度降到0攝氏度以下的緣故。發現失靈現象的時候是54年9月，這會兒美國空軍剛給TRADIC打完補丁：在TRADIC的機箱外面加電暖器。
更熱鬧的還是等明年吧，明年美國空軍計劃用裝備TRADIC的B-52做空投核彈試驗。
回到黃昆的研究上。這將近兩年的時間，黃昆取得的成果是……沒有成果。
“黃教授，啊，其實也沒什麽事，我就是告知一下，從53年3月到54年11月，集團往你們半導體實驗室的投資已經達到了……30萬元人民幣。是的，這只包含設備購置的投資，人員工資還不包括在內。”
催命電話不是上電集團的總經理打來的，是秘書。
秘書的意思就是，你們半導體實驗室得拿出點成果了。
黃昆掛掉電話，嘆了口氣，年關難過啊。
半導體實驗室現在還沒拿出成品的矽晶體管，更沒有鼓搗出來可用於量產的矽晶體管工藝書。
黃昆的工作是從貝爾實驗室的化學家加爾文富勒的一篇論文開始的。這篇1952年發表的論文闡述了一種將雜質摻入到半導體（包括矽和鍺）晶體中的方法。是通過將雜質暴露在含有所需摻雜劑的高溫氣體中並加壓，使得矽或者鍺單晶體中能夠摻入雜質。摻入雜質的矽或鍺就會形成PN結。
加爾文富勒還說，通過調整曝光的時間和溫度，能夠精確地控制引入的雜質的數量和它們的穿透深度，這種摻入雜質的方法精度達1微米甚至更小。
但是具體的工藝呢？加爾文富勒沒說。這是論文，不是專利說明書。
至於專利說明書，好像貝爾實驗室還沒提交申請，可能是貝爾實驗室想捂盤，也可能是加爾文富勒只搞出了理論，而產品還沒做出來。
（矽擴散的工藝技術正式發表是在1956年，由托馬斯和塔尼巴恩撰寫的貝爾系統技術期刊第35卷《擴散發射極和基極矽晶體管》）
當黃昆研究加爾文富勒的論文時，差的還不僅僅是具體工藝細節。實際上黃昆先和有色冶煉行業糾纏了半年。基於進口產品仿制的電爐為了融化矽，得提高溫度；冶煉出來的矽單質純度四個9，好像不太夠，又要求他們提高到五個9。
再然後，黃昆得自己設計一種實驗器材或者工業設備，能容納含有摻雜劑的高溫氣體並讓高溫氣體接觸矽板。這個實驗器材就在黃昆隔壁的實驗室裏，奇形怪狀的一臺大機器，雖然有一半零件是實驗室成員自制的，但另一半的零件仍然花掉了3萬塊錢。
在1954年，黃昆做的工作和貝爾實驗室的幾個工程師其實差不多。在貝爾實驗室，加爾文富勒的論文發表之後，貝爾實驗室也花了很長時間來設計專用機器，全部就緒已經到了1954年1月。在1月份，加爾文.富勒與皮爾森、達裏爾查平成功地將一層硼原子擴散到n型矽板中，形成了大面積的P-N結。
再然後，加爾文富勒把路走歪了。他們發現光照在這塊矽板上的時候，矽板竟然產生了電流，還挺強。貝爾實驗室另一組人趕緊把6塊矽板組合起來，接通電路，放到太陽下，獲得了185毫瓦的光伏功率。於是在1954年4月，貝爾實驗室宣布他們制成了世界第一種太陽能電池。至於晶體管，只在實驗室裏象征性地做出了一只樣品，貝爾實驗室期待未來出現更先進更廉價的加工方式，到那時候再量產晶體管。
（其實剛剛誕生頭兩年的矽晶體管價格是鍺晶體管的數倍，但仍然有市場，因為美國的軍用計算機需要）
1954年5月，德州儀器宣布他們解決了矽晶體管的制造工藝技術，貝爾實驗室的領先地位被搶。
不只是貝爾實驗室，黃昆這邊也埋頭在做矽晶體管，當他看到IRE大會上德州儀器公司代表上臺吹逼的報道，也是眼前一黑。
糟了，自己不是世界第一了。
……
“黃教授！您總算是來了！！”
向中南礦冶求救，五天之後援兵終於到來。當黃昆見到黃培雲出現在火車車廂門口，趕緊迎上去。現在他的這位本家兼前輩是半導體實驗室唯一的希望。
“黃教授，您當年拯救過鍺晶體管，今年也一定能拯救我們……”
黃培雲搖搖頭：“這次我不是主力，後面這兩位才是。他們是我帶的學生，都是研二。”
黃培雲回到中南礦冶，就開實驗室招學生搞半導體材料的研究。帶來的兩個研究生何太平、孫嚴本科不是中南礦冶的，是武漢大學的（中南礦冶建校才3年），在實驗室的諸多學生中表現最突出，而且研究的都是矽材料方向。
……
“這就是你們實驗室嗎？一看就很有熟悉的樣子，”何太平說，“我們實驗室也是電爐，電爐，一天到晚熱烘烘的。”
黃昆：“確實是熱烘烘的，我們在嘗試冶煉6個9的矽，電爐一直在不停地開著。本來以為五個9應該夠了，至少做出試驗品是夠了，可後來試制老是失敗，我又退回去從頭做理論計算，確定了就是因為矽不夠純才失敗的，得繼續提高純度。”
黃培雲：“這你們實驗室可能確實是有色金屬冶煉的基礎底子略差。其實這個時候應該用浮動區法生長的矽晶體。”
黃昆：“這我們真不會。”
黃培雲：“浮動區生長是三幾年英國人提出來的，雖然麻煩了一點，但咱們的設備修改修改還算可以達到。就是個氧氣比較討厭，然後我發動半個系的學生動手，搭了個真空環境，後來就搞成了。”
黃昆：“得，看來我們實驗室也要按你說的真空冶煉的模式改造電爐冶煉室了。”
黃培雲：“真空冶煉設備改在還是年後再說吧。你在電話裏說年底得加緊搞出一個有效的技術成果，否則半導體實驗室就有麻煩了。年底肯定是完不成電爐改造的。何太平，把包拿出來讓小黃瞅瞅。”
何太平打開自己拖著來的皮箱，掏出一個嚴嚴實實包裹著的東西。然後打開包裹。
“黃主任，這是，我們在中南礦冶實驗室做出來的頭一批浮動區法生長的矽晶體。應該夠你們做實驗樣本了吧。”
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