为何CPU只用硅，而不用能耗更低的锗制作？

其实早期的晶体管使用的是锗制作的，但是由于锗不耐高温的缺点， 导致其逐渐被抛弃，硅就开始登上了历史的舞台，硅由于耐高温、稳定性强、价格便宜等优点开始被用在电子元器件上。

下面我详细给大家分析下：

为什么锗会被抛弃呢？

摩托罗拉当时制作了一款车载收音机，采用的就是锗晶体管，上市销售后经常会收到很多用户投诉收音机在中午阳光暴晒后就不能正常工作了，于是摩托罗拉开始寻找替代材料。这就是由于锗本身不耐高温缺陷导致的。锗在受热之后会变成本征态，双极结型晶体管不能再继续工作了。还有就是锗在地壳中的含量为一百万分之七，相比于氧、硅等常见元素要少很多，这就造成了较高的制造成本，尤其是电子设备都是百万千万甚至是上亿级别的出货量，这就会造成非常大的成本压力。此外锗的氧化物非常不稳定，以及锗的禁带宽度只有0.66eV，这就导致锗晶体管非常容易被击穿。

为什么选择硅呢？

因为硅具有以下优点，非常适合应用在电子元器件上。

1.硅的结构是晶体状，这就使硅具有很好的稳定性和强度；

2.硅的带隙更大，具有更好的热稳定性，比较耐高温；

3.硅的价格便宜，硅都是沙子提炼出来的，硅晶体管的制作工艺虽然复杂，但是原料接近成本价。

硅和锗储量相差巨大。

地壳中的元素丰度，硅是27.8%左右，也就是四分之一还多，锗是1.8ppm，也就是百万分之1.8，两者相差14万倍之多。硅可以由储量很丰富的石英提取，而锗只能在煤烟灰当中找到极微量。从这一点看，锗就不适合做CPU，自然界储量太稀少，提炼太复杂，不用说，价格是天价，平民无缘使用。

因此，如果用锗做半导体，成本巨高、性能巨差，没有低成本性能好的配套工艺技术供使用，不适合制造CPU一类器件。

硅：作为现在最广泛应用的半导体材料,它的优点是多方面的.

1）硅的地球储量很大,所以原料成本低廉.

2）硅的提纯工艺历经60年的发展,已经达到目前人类的最高水平.

3）Si/SiO2 的界面可以通过氧化获得,非常完美.通过后退火工艺可以获得极其完美的界面.

4）关于硅的掺杂和扩散工艺,研究得十分广泛,前期经验很多.

不足：硅本身的电子和空穴迁移速度在未来很难满足更高性能半导体器件的需求.氧化硅由于介电常数较低,当器件微小化以后,将面临介电材料击穿的困境,寻找替代介电材料是当务之急.硅属于间接带隙半导体,光发射效率不高.

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锗：作为最早被研究的半导体材料,带给我们两个诺贝尔奖,第一个transistor和第一个IC.锗的优点是：

1）空穴迁移率最大,是硅的四倍；电子迁移率是硅的两倍.

2）禁带宽度比较小,有利于发展低电压器件.

3）施主/受主的激活温度远低于硅,有利于节省热预算.

4）小的波尔激子半径,有助于提高它的场发射特性.

5）小的禁带宽度,有助于组合介电材料,降低漏电流.

缺点也比较明显：锗属于较为活泼的材料,它和介电材料的界面容易发生氧化还原反应,生成GeO,产生较多缺陷,进而影响材料的性能；锗由于储量较少,所以直接使用锗作衬底是不合适的,因此必须通过GeOI（绝缘体上锗）技术,来发展未来器件.该技术存在一定难度,但是通过借鉴研究硅材料获得的经验,相信会在不久的将来克服.

锗贵，发热大漏电大都是原因，但是这些还不是最根本的。关键是硅的工艺太方便了。硅做提纯，HF轻松一步搞到99.9以上。硅做晶圆，单晶柱随便拉。硅做绝缘层，有“上帝创造的”完美的硅/氧化硅界面。（这个是最重要的，所以换hkmg之后各种替代硅的材料才开始兴起）硅做掺杂，金刚石结构退火一下晶格损伤自己修复。硅做氧化，湿氧干氧cvd各种工艺任你挑选。硅做刻蚀，有氧化硅掩膜，不行还有氮化硅，湿法干法都有变态的选择比。硅做微结构，还有各向异性刻蚀这种大杀器。硅的工艺选择实在是太方便太丰富太便宜了，所以纵使硅的性能在深亚微米已经开始力不从心，工艺界还是舍不得抛弃硅，而是继续折腾各种新技术给硅续命...另外阈值电压低不代表运行电压低。因为电路依然是要电流驱动负载（一般是寄生电容）的。如果电源电压太低会使驱动电流太小，负载充放电速度会很慢，频率就上不去。基础的数字电路动态功耗是cfv^2，只取决于电源电压、频率和负载电容。阈值影响的是v和f之间的限制关系，但这最终依然是一个频率和功耗的trade off，所以降低阈值并不一定能显著降低动态功耗。但是阈值太低一定会导致关断漏电高，显著增加静态功耗。。。现在用锗的一般是看中锗的高迁移率来提高频率，或是用锗硅制备异质节，而不是因为阈值电压。要说阈值电压的话。。。硅器件还有负阈值的耗尽型CMOS呢。。。调阈值不就一个掺杂的事情嘛。。。

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