( 續(xù)前文) 五 物理學(xué)家、化學(xué)家和冶金學(xué)家的合作

“千江有水千江月，萬(wàn)里無(wú)云萬(wàn)里天。太湖三萬(wàn)六千頃，月向波心說(shuō)向誰(shuí)？”

----宗鏡

早期的晶體管無(wú)疑是物理學(xué)家的杰作。特別是John Bardeen對(duì)物理學(xué)深遠(yuǎn)的洞察力，帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)突破了許多挫折和迷惑。半導(dǎo)體裝置改進(jìn)的后期（不止是晶體管，而且也包括了發(fā)光二極管、光電池和后續(xù)的計(jì)算存儲(chǔ)）也是物理學(xué)家精英們所涉足的領(lǐng)域。其中最緊迫的任務(wù)是要詳細(xì)了解半導(dǎo)體中的電子能帶結(jié)構(gòu)，這是一項(xiàng)包括理論和實(shí)驗(yàn)技巧的任務(wù)。關(guān)于這方面探索的早期美好回憶可由Herman(1984) 的一些斷續(xù)回顧中獲得。

貝爾實(shí)驗(yàn)室也有一些權(quán)威物理學(xué)家，他們有淵博的關(guān)于固體物理學(xué)的知識(shí)，能夠指導(dǎo)研究者去參與有前途的新方向。其中的佼佼者是Conyers Herring. Herman認(rèn)為他是“固體物理學(xué)知識(shí)的真正百科全書”。不久前（1991）Herring從“固體物理學(xué)”的角度寫了一部百科全書，------考慮到固體物理學(xué)涉及的學(xué)科之廣，這是一件幾乎不可能完成的任務(wù)。

然而，僅僅依靠物理學(xué)家，并不能單獨(dú)完成制備出高質(zhì)量而且可批量生產(chǎn)的晶體管的任務(wù)。我們已經(jīng)看到1947年事件的前奏階段， Scaff和Theuerer已經(jīng)鑒別出了P型和N型區(qū)域，并且進(jìn)行了精確的化學(xué)分析，使P型和N型區(qū)域的本質(zhì)得到確定。隨后，又發(fā)生了很多事情。

原始的晶體管是一塊從多晶上切割的鍺做的，這使得對(duì)硅的應(yīng)用有所延誤；同時(shí)，早期對(duì)單晶硅的緊迫的需求被貝爾實(shí)驗(yàn)室的管理層所拒絕，進(jìn)一步拖延了硅的應(yīng)用進(jìn)展。幸虧，一位貝爾實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家Gordon Teal，一個(gè)天生孤僻的人，秘密地堅(jiān)持對(duì)單晶制備工藝的執(zhí)著探索，最后，他的執(zhí)著終于得到了認(rèn)同，他的上級(jí)給與了他適當(dāng)?shù)闹С?，這使得基于Czochralski方法的單晶生長(zhǎng)技術(shù)出現(xiàn)了。對(duì)于鍺和硅，人們很快就非常清楚單晶才是使他們能夠在器件上得到發(fā)展的必由之路，特別是晶界已經(jīng)被證明是“電活性的”（也是影響器件工作的不良的效應(yīng)）。很快人們也清楚了位錯(cuò)同樣具有電活性從而會(huì)影響晶體管工作，不久就得知消除位錯(cuò)的最好方法就是仔細(xì)控制單晶生長(zhǎng)。為簡(jiǎn)化起見，晶體生長(zhǎng)時(shí)最初的位錯(cuò)沿側(cè)面出現(xiàn)，留下一個(gè)每平方厘米少于100個(gè)位錯(cuò)的晶體，這與具有100萬(wàn)倍位錯(cuò)數(shù)量的一半的材料形成鮮明對(duì)比。這是Dash的成就，他是一個(gè)在很早期就承認(rèn)位錯(cuò)存在的人。實(shí)際上，貝爾實(shí)驗(yàn)室為這些有爭(zhēng)議缺陷的存在與否提供了最早的實(shí)證。后來(lái)，研究和控制硅中其它晶體缺陷，特別是堆垛層錯(cuò)，成為貝爾實(shí)驗(yàn)室自身的一個(gè)令人驕傲的研究領(lǐng)域。

貝爾實(shí)驗(yàn)室的冶金學(xué)家在早期晶體管發(fā)明過(guò)程中的作用，由當(dāng)時(shí)任貝爾實(shí)驗(yàn)室的材料研究室主任的Scaff在其執(zhí)筆的一篇?dú)v史性回顧的文章中得到清晰的描述。

無(wú)缺陷材料的需求只是故事的一部分。另一部分是當(dāng)時(shí)所不能實(shí)現(xiàn)的純度等級(jí)的需要。過(guò)程是從超純鍺或硅開始的，用第III或第V族元素通過(guò)溶解或固態(tài)擴(kuò)散的方式來(lái)“摻雜” ，以獲得可控幾何形狀和濃度的p型和n型區(qū)域（半導(dǎo)體擴(kuò)散的研究注定成為其自身的一個(gè)主要內(nèi)容）。在二十世紀(jì)40和50年代，鍺和硅不能夠從礦石中直接萃取或精煉到所需要的純度。解決的方案是區(qū)域熔煉，這是一位非凡的貝爾實(shí)驗(yàn)室雇員Willian Pfann的發(fā)明。

Pfann 口述了這項(xiàng)發(fā)明的過(guò)程，他的描述作為資料被保存在貝爾實(shí)驗(yàn)室的檔案室。作為一個(gè)青年人，他被貝爾實(shí)驗(yàn)室聘請(qǐng)作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)室助手，開始從事的是打磨樣品和沖洗膠卷的工作，也就是打雜的公走。他在工作期間，參加了一個(gè)夜間學(xué)習(xí)班并最終獲得一個(gè)學(xué)士學(xué)位（化學(xué)工程，而不是物理學(xué)）。他參加了一個(gè)當(dāng)時(shí)很著名的物理冶金學(xué)家Champion Mathewson的講演，談到了關(guān)于塑性流動(dòng)及晶體滑移。正如他之前的Rosenhain一樣，年輕的Pfann對(duì)此著迷了。于是，雖然他還是一名助手，卻被他的上級(jí)E. E.Schumacher邀請(qǐng)，并用最傳統(tǒng)的貝爾實(shí)驗(yàn)室慣例告訴他，“用你一半的時(shí)間去做任何你想做的事”，這句話無(wú)論是在當(dāng)時(shí)還是在現(xiàn)在都是一句讓人震驚的話，也說(shuō)明了Schumacher的開明和對(duì)Pfan的信任。

Pfan 記住了Mathewson 在講演中所提到的東西，并選擇研究摻雜銻的鉛晶體的形變（這種材料就如用在貝爾系統(tǒng)電纜的包皮層）。他想獲得組分均勻的晶體，并且很快地發(fā)明了使區(qū)域成分一致化的技術(shù)（他想當(dāng)然地認(rèn)為這個(gè)想法對(duì)于每個(gè)人是顯而易見的，但卻是錯(cuò)的，當(dāng)時(shí)許多人都認(rèn)為這個(gè)技術(shù)幾乎不能存在）。

通過(guò)另外一件技術(shù)上的創(chuàng)意，Pfan很明顯地給貝爾實(shí)驗(yàn)室的主管留下了深刻的印象，盡管他沒有博士頭銜，也成為一位有充分資格的技術(shù)組成員。當(dāng)William Shockley抱怨說(shuō)可利用的鍺純度不夠時(shí)，Pfann用他自己的話講：“我的習(xí)慣是每天把腳放在桌子上，坐著椅子背靠窗臺(tái)小睡。一天，我剛一睡著，就突然驚醒，我仍然記得當(dāng)時(shí)把椅子弄得噼啪響，意識(shí)到了通過(guò)對(duì)鍺鑄錠的一系列區(qū)域熔融能夠獲得可重復(fù)的部分結(jié)晶的想法。”每個(gè)區(qū)域都能帶走一些雜質(zhì)，直到在接近鑄棒一端的雜質(zhì)被減少到幾億個(gè)原子中只有一個(gè)的水平，也就是純度接近9N的水平。Pfann 在一篇文章中和后來(lái)的一部書中描述了他的技術(shù)并給出了數(shù)學(xué)理論。順便提及，區(qū)域熔煉技術(shù)的發(fā)明及該技術(shù)的完美性，是使凝固和鑄造從一個(gè)可描述的工藝轉(zhuǎn)變成定量科學(xué)的因素之一。

今天，通過(guò)氣相中間化合物精煉硅的方法（西門子法）已經(jīng)得到顯著改善，區(qū)域熔煉已不再是必需的技術(shù)，實(shí)際上由于晶體直徑太大以至于區(qū)域精煉變得不可能。當(dāng)今制備硅的化學(xué)方法，能夠可重復(fù)地使雜質(zhì)含量降為10-12。現(xiàn)代關(guān)于半導(dǎo)體的教科書已不再提及區(qū)域熔煉，但在1990年以前，區(qū)域熔煉一直是制備晶體管的一個(gè)基本工藝。

在早些年，物理學(xué)家、冶金學(xué)家、化學(xué)家在貝爾實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部都有各自的團(tuán)隊(duì)，但是在創(chuàng)建半導(dǎo)體設(shè)備中的合作經(jīng)歷使他們?nèi)诤显谝黄?，并且現(xiàn)在許多實(shí)驗(yàn)室的工作人員會(huì)簡(jiǎn)單地把他們歸結(jié)為材料科學(xué)家。