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CPU用硅不用锗 原因有哪些?

www.91jinshu.com   2017-06-22  来源:硬件十万个为什么  编辑部
摘要 有着和钻石一样棒的晶体结构,这赋予了硅极好的稳定性和强度;超棒的队友二氧化硅(SiO2),用简单的炉式氧化法就可以得到非常高质量的二氧化硅,而且界面态很少。啥是炉式氧化法呢?大概就和烤面包差不多,类似你把硅片放到一个充满氧气的烤箱里去烤一下。硅的带隙更大,具有更好的热稳定性,硅材料便宜啊,硅都是沙子提炼出来的,想想地球上有多少沙子可以用吧!还有一点非常重要!锗CPU 75度以上就不能工作了。。。
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CPU就是在一张硅片上,刻几百万个晶体二极管。制成二极管,硅的开启电压(死区电压)需要0.5V,的开启电压只需0.1V。也就是CPU只需零点几的电压就能运行,比现在的1V低多了,也算CPU的革命吧。电压更低,意味发热量更少,集成度和频率可以更高。即便开发锗CPU有困难,也比脑动大开的 量子CPU, 光子CPU, DNA CPU靠谱吧?


硅用来做CPU,是因为它的优点太多,而缺点都是可克服的。锗虽然也有优点(比如开启电压、载流子迁移率),但它的几个缺点是很难克服的。


首先是价格。硅直接拿沙子就能制,虽然工艺复杂但是原料成本接近零,锗在地壳中分布非常分散,成品锗(还不是半导体级别)的价格就已经超越了白银,印象中将近2000美元/公斤。


其次很大一个问题就是锗的氧化物不稳定。二氧化硅是致密的绝缘体,力学电学化学性质都很稳定,不溶于水;氧化锗没那么致密,还是溶于水的。这一条基本就宣告了CPU无望。


还有锗器件在稍高的温度下表现不良的问题,以及锗本身比硅重、又比硅软、更容易碎等等。而且现在整个半导体行业都以硅为基础,没人会开发锗的CPU。


目前锗的前途很大程度上在光电学方面,如太阳能电池、光传感器、红外LED、锗激光器(这个已经被MIT做出来了,但不是大家想象中的激光笔那样子)。因为硅做激光完全不可能,锗又能比较容易地在硅上生长出来,因此大家的理想是将用锗做成的光学器件与硅做成的电子器件整合在一张硅片上,那就牛逼了。


再说一句,近三五年来锗基半导体方面进展很大,但是不少同行还没完全了解这些进展。如果看以前的书本上讲的一些关于生长锗的局限,现在很多都已经被攻克了。以前人们说在硅上没办法直接长锗,还有得用高温,或者需要几个GeSi的buffer,十年前确实是这样。但现在在三百多度的温度下直接在硅片上生长锗,出来的膜质量很不错。

1948年,世界上第一个点接触晶体管是用锗做的,就是这个样:


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在遥远的上古时代(1950),那时候集成电路还没有发明,晶体管的分立器件就已经慢慢由锗变成了硅。这是为什么呢?


世界上第一个和第一个商用的双极结型晶体管都是用锗做的。摩托罗拉公司当时还是一家车载收音机的制造商。摩托罗拉是当时第一家使用晶体管来制造收音机的厂商。但是好景不长,摩托罗拉收到了大量用户投诉,说他们发现摩托罗拉的车载收音机在午后的阳光下曝晒一个下午后,就不再工作了。摩托罗拉被搞得焦头烂额,这从市场层面给了摩托罗拉公司很强的动力用硅替换锗来制造晶体管。

为啥会这样呢?因为锗在受热之后会变成本征态,这使得N型半导体和P型半导体都失去了他们特有的性质,那结果呢就是双极结型晶体管不能再工作了。而硅可以经受更高温度的考验。

为什么CPU只用硅做,而不用能耗更低的锗做?

硅取代锗其实是历史的必然,让我们来看看硅棒棒的性质吧:


有着和钻石一样棒的晶体结构,这赋予了硅极好的稳定性和强度;超棒的队友二氧化硅(SiO2),用简单的炉式氧化法就可以得到非常高质量的二氧化硅,而且界面态很少。啥是炉式氧化法呢?大概就和烤面包差不多,类似你把硅片放到一个充满氧气的烤箱里去烤一下。硅的带隙更大,具有更好的热稳定性,硅材料便宜啊,硅都是沙子提炼出来的,想想地球上有多少沙子可以用吧!还有一点非常重要!锗CPU 75度以上就不能工作了。。。

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