半导体材料有哪些？

半导体材料主要有硅、锗、硒等。

半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体。

化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物（硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ－Ⅴ族化合物和Ⅱ－Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

半导体材料特点：

半导体材料的特点也很明显，只要是半导体材料都会具备这些特点。

半导体材料的第一个特点就是在导电能力上会介于导体和绝缘体之间，一旦受到外界光热的刺激，就会在导电能力上发生变化，若是纯净半导体加入一点杂质就会使得导电能力迅速增强。

以上内容参考：百度百科-半导体材料

CPU作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。CPU 自产生以来，在逻辑结构、运行效率以及功能外延上取得了巨大发展。

CPU有强大的算术运算单 元，可以在很少的时钟周期内完成算术计算。同时，有很大的缓存可以保存很多数据在里面。此外，还有复杂的逻辑控制单元，当程序有多个分支的时候， 通过提供分支预测的能力来降低延时。GPU是基于大的吞吐量设计，有很多的逻辑电路。

而逻辑电路对于高速元件的迫切需求，使得半导体制造工业不断以微缩、增加密度以及时钟速度的方式来取得更好的性能表现，但是在摩尔定律遭遇困境的当下，这种作法留给半导体技术的空间似乎已经不多。

这是因为芯片微缩、增加密度以及时钟速度，会导致一个关键问题，那就是功耗，加上先进工艺之下，闸极的缩小会导致芯片内部的漏电流越来越难以抑制，漏电流则是会产生一个最大的问题，那就是发热。

也因此，目前整个产业都在处心积虑的找出能够替代目前主流硅材料的新一代半导体材料，但这并不是那么简单的事情，一来你要考虑到与现有工艺的兼容性，二来要能在技术上实现可控成本下的量产，最后，材料本身又不能太难取得。

也因为这三种原因的限制，目前硅还是难以被取代，毕竟硅是地球上最容易取得的材料，易于提炼，且又具备能和其他材料配合调制改变其电气特性的特征，使其应用极为广泛，硅可以用来算，可以用来发光，也可以用来”看”，目前来看，还真的没有一种材料能够取代硅的地位。

至于锗材料，其实在目前的半导体业界是个很普遍应用的材料，世界上最早的晶体管就是使用锗材料制作的。

除了在在半导体领域，其在航空航天测控、核物理探测、光纤通讯、红外光学、太阳能电池、化学催化剂、生物医学等领域都有广泛而重要的应用。

虽然理论上锗拥有很多优秀的特性，比如说电子迁移率是硅的两倍，电洞迁移率更超越被誉为最有机会取代硅的明日之星材料，也就是像砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、磷化铟(InP)、锑化铟(InSb)等常见三五族半导体材料，且因为和硅之间的晶格差异(Lattice mismatch)相对更小，能够被整合在现有的硅工艺，因此与三五族同样被视为未来半导体材料的明日之星。

但是要使用纯锗来做CPU？这个可以很明白的说了，真要做不是不可能，但做出来基本上就是又贵又慢的产品，完全不实用。锗虽然在电气特性上有其优点，但缺点也同样不小，比如说因为难以取得，所以成本极高，材质的物理特性非常软脆这点同样远不如硅，使其加工非常困难，而做为”半导体”，锗的氧化物和硅的氧化物在绝缘稳定性上也有很大的不同。

如果要善用锗的特性，就必须以参杂的技术，结合其他材料的优势来弥补其缺点，比如说在基于硅的基板上去生长锗的薄膜，结合二者的优点，可以大幅强化目前半导体架构的计算能力。

以半导体的发展历程来看，锗算是最早的第一代半导体材料，目前虽然活跃在许多领域，但基本上已经离计算应用有段距离，若用来制造计算核心，其实还有许多困难需要突破。

因为其在电气特性上的优势，锗有机会和最新的三五族材料共同在半导体技术发展的道路上发光发热，其应用发展空间还很广，以单一应用面向来评论这个材料其实并不公平。

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.

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