为什么硅半导体会取代锗成为工业主流原料？

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.

锗二极管是半导体技术发展的初期的产品。由于当时的技术和材料的原因，才生产了锗二极管。但因为反向耐压太小，工作电流也很小等诸多缺陷，才被硅二极管所代替了。这也是电子技术发展的必然。在生产硅二极和三极管的当时，还不能生产集成电路呢，可现在，集成电路成了最基本的电子器件了，这才是电子技术不断飞速的发展过程。

锗很难用来做CPU，硅的地位也很难被取代在元素周期表中，金属和非金属元素之间有十二种具有半导体性质的元素，分别是：硼(B)、金刚石(C)、硅(Si)、锗(Ge)、灰-锡(Sn)、磷(P)、灰-砷(As)、黑-锑(Sb)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、碘(I)。

其中的大多数是不稳定的，硫、磷、砷、锑、碘都易挥发，灰-锡低温下才稳定，硼的熔点太高，不易制备单晶。只有锗、硅性能优越。

半导体是指在常温下电导率介于金属和绝缘体之间的一种材料，半导体的电导率并不是一成不变的，它会随着掺入的杂质元素、受热、受光照、受外力等种种外界条件，在绝缘体和金属之间电导率内发生变化。

第Ⅳ族的锗和硅的最外层电子有4个，原子之间能够形成排列整齐的晶格价键。而临近的Ⅲ族和Ⅴ族则变成了掺杂元素。

N型掺杂是掺入V族元素（如：磷P、砷As），V族元素相比Ⅳ族的外层电子多出一个，多出的电子能够作为导电的来源。P型掺杂是掺入Ⅲ族元素（如：硼B、氟化硼BF2），Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外层电子少一个，这种缺少电子的空位被称为空穴，空穴同样能够导电。

P、N两种半导体面对面放在一起会怎样？放在一起就形成了PN结，它具有单向导电性，电流只能从这一头流向另一头。一个PN结就可以形成半导体元器件中最简单的二极管，它同时也是构成三极管、场效应管等众多半导体元器件的基础结构。

给PN结加正向电压（P区接正极、N区接负极），多数载流子将在外电场力的驱动下源源不断地通过PN结，形成较大的扩散电流，称为正向电流。

给PN结加反向电压，多数载流子扩散运动减弱，没有正向电流通过PN结，只有少数载流子的漂移运动形成反方电流。由于少数载流子为数很少，所以反向电流很微弱，电阻很大。

半导体的光电特性在PN结处没有可以自由移动的电子和空穴，但晶格原子外层有许多被束缚的共价电子。光照射时共价电子获得能量，脱离晶格原子的束缚，变成可以自由移动的电子和空穴。所以光照可以使PN结产生电流。

如果在PN结两端加上正向电压，半导体中的电子和空穴就会在结处相遇之后消失（复合），并产生一束光子，但前提是制造PN结的材料为直接带隙半导体（如：GaAs、GaP、GaN等，这种材料中的电子和空穴复合时遵循动量守恒），而硅材料属于间接带隙半导体，只能制造具有整流、开关特性的二极管，而不能发出光子。硅的应用为什么广于锗?其实世界上第一只晶体管是用锗做的，在1947年诞生于贝尔实验室。

但在1954年美国的一次展会上，“德州仪器”的工程师戈登·蒂尔为硅做了一个非同凡响的广告。他将一台使用锗晶体管的电唱机扔进一桶热油中，电唱机立即禁声了。然后他又拆下锗晶体管，换上自己的硅晶体管，也扔进热油中，电唱机依然继续。从此，锗被晶体管抛弃了。

锗器件的稳定工作温度远不如硅器件高，它在地球上的含量也远远不及硅，所以在半导体工业发展初期就被硅取代了。目前CPU的地基“晶圆”所含技术并没有锗的身影晶圆是半导体构成的晶体圆片（又称衬底），它是制造CPU及其他半导体器件的“地基”。

第一代半导体晶圆以硅为代表，它的应用是最为广泛，但在光电、射频、功率等领域并没有很大的优势。第二代半导体晶圆以砷化镓（GaAs）为代表，主要应用于红外、绿光波段的光电子领域以及民用射频器件领域，目前发展比较成熟。第三代半导体晶圆以氮化镓（GaN）、碳化硅(SiC)为代表，处于发展阶段，但在蓝紫光波段的光电子领域、高性能军用射频领域、功率半导体领域有突出的优势。锗很难应用于CPU锗在地球的含量相对于硅来说可以用稀少来形容，锗本身比硅重，也比硅软，它很容易碎。锗的氧化物也不稳定，所以至今没有人用锗来开发CPU。

锗在半导体领域也并不是一无是处，主要应用于光电学领域，如太阳能电池、光传感器、红外LED、锗激光器等等。所以小伙伴们，别再说为什么不用锗来做CPU了。以上个人浅见，欢迎批评指正。认同我的看法，请点个赞再走，感谢！喜欢我的，请关注我，再次感谢！

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