锗与硅 做半导体材料 各自的优缺点

先说说硅：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. ------------------------------------ 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.

重要的半导体材料硅、锗等元素的原子最外层都具有四个价电子。大量的硅、锗原子组合成晶体靠的是共价键结合。这种结构的特点是：每个原子周围有四个最近邻的原子组成一个正四面体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任意顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，共有的电子在两个原子之间形成较大的电子云密度，通过它们对原子的引力把两个原子结合在一起，这就是共价键。这样，每个原子和周围四个原子组成四个共价键。

在20世纪50年代初期，锗曾经是最主要的半导体材料，但自60年代初期以来，硅已取而代之成为半导体制造的主要材料。现今人们使用硅的主要原因，是因为硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅的运用在其中起着决定性的作用，经济上的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%，仅次于氧。到目前为止，硅可以说是元素周期表中被研究最多且技术最成熟的半导体元素。

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。

（1）半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体对温度敏感，体积又小，热惯性也小，寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、自动化等许多方面都有广泛的应用价值。

（2）杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14 109欧姆·厘米，若掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻率就会降至2000欧姆·厘米。虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用了半导体的这一特性。

（3）光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。例如，硫化镉薄膜的暗电阻为几十兆欧，然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以后改变了几百倍。半导体的这种性质，使其成为自动化控制中的重要元件。

（4）除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。

---