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为什么 CPU 只用硅做,而不用能耗更低的锗做?

www.91jinshu.com   2019-04-22  来源:电子发烧友  杨鑫
摘要 制作CPU的原料主要是沙子,额,不要惊呆,这是真滴,但是此沙子非你家建房子用的那种粗糙的沙子,这些沙子都是从专门的矿里面挖出来的,纯度比我们平常见到的沙子高很多。这些沙子经过数千摄氏度的的高温和化学药品的净化,就变成了完全纯净的硅柱。所以可以这么说,CPU

制作CPU的原料主要是沙子,额,不要惊呆,这是真滴,但是此沙子非你家建房子用的那种粗糙的沙子,这些沙子都是从专门的矿里面挖出来的,纯度比我们平常见到的沙子高很多。这些沙子经过数千摄氏度的的高温和化学药品的净化,就变成了完全纯净的硅柱。所以可以这么说,CPU就是在一张硅片上,刻几百万个晶体二极管。但是在很早之前,晶体管一直是用做的。

1947年,贝尔实验室研制出了世界上第一只点接触三极管,采用就是材料,这奠定了微电子工业的基础。直到20世纪50年代末、60年代初以前的十几年间,锗都是双极型晶体管的主要支撑材料。下面这玩意就是世界上第一只晶体管!

此外,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。

摩托罗拉Chrome Nose车载收音机但是好景不长,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,这么弱不经高温的材料必须得换啊,从市场方面考虑,摩托罗拉公司开始考虑用硅替换锗来制造晶体管。为什么必须要抛弃锗使用硅呢?首先这是由锗本身的缺陷决定的。锗在受热之后会变成本征态,这使得n型半导体和p型半导体都失去了它们特有的性质,这样双极结型晶体管不能再工作了。锗CPU在75℃以上就不能工作了,想想看,如果现在还用着锗CPU,就用不小米手机煎鸡蛋了(我什么都没说)。锗材料还存在着这几个问题:1、锗的地壳含量很少,据估计地壳中锗的含量是1.8ppm(百万分之一),而硅的含量是277100 ppm,这导致了过高的制造成本;2、锗的氧化物非常不稳定,在400℃以上还容易发生解析反应,所以器件制作难度大、器件稳定性差和大的栅漏电流,所以单一的GeOx/Ge结构难成为锗基 MOSFET器件的理想栅介质和隔离层;3、锗的禁带宽度只有0.66eV,相比于硅的1.12eV,这就导致锗器件比较容易被击穿,静态功耗就大了;4、现有水平制备出的锗衬底,达不到硅的纯度和低界面态密度。由于存在以上问题,60年代之后硅逐渐取代了锗。这是历史的必然,也是硅优异的性质决定的。硅主要有以下几个优点。1、硅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2、硅有个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。其实很多半导体工艺都能找到生活中的类比物,太阳能电池的制造就和咱们烙煎饼果子差不多,我会乱说?3、硅的带隙更大,具有更好的热稳定性4、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!硅制作的工艺虽然复杂,但是原料成本接近0。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,差不多将近2000美元一公斤。但是,CPU材料用硅替代了锗不代表锗就没有用武之地了,锗半导体器件用作二极管、晶体三极管及复合晶体管、锗半导体光电器件作光电、霍耳及压阻效应的传感器,作光电导效应的放射线检测器等,广泛用于彩电、电脑、电话及高频设备中,锗管特别适用于高频大功率器件中,且在强辐射与-40℃下运转正常;Ge-Si与Ge-Te作温差发电用于宇航、卫星与空间站的启动电源等。锗的三接面太阳能电池用锗作为衬底制作的GaAs/Ge太阳能电池,其性能与GaAs/GaAs电池接近,机械强度要更高,单片电池面积更大。在空间应用环境下,抗辐射阈值比硅电池高,性能衰退小,其应用成本接近于同样功率的硅电池板,已应用于各型军用卫星和部分商业卫星中,逐步成为主要的空间电源。未来,随着工艺尺寸的不断缩小,Si材料将达到其物理极限(电子和空穴迁移率过低是硬伤),Ge或者Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体或许是作为沟道材料的一个很好选择。“三十年河东三十年河西”,谁知道锗未来会不会又翻身呢!

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