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。

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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。

一、解析原因

这与硅本身的原子结构等物理特性有关。一般来说，常温下导电能力很强的物体称为导体，导电能力很弱的物体称为绝缘体，导电能力介于导体与绝缘体之间的称为半导体，硅、锗、砷化镓等物体的导电能力介于导体与绝缘体之间，故称为半导体。（并不像一楼说的硅长得像金属又不是金属所以叫半导体。。囧。。，石墨不是金属但导电能力很强所以也是导体。。）

在半导体中掺入适量杂质（如硼、磷等），可大大提高半导体的导电能力，称为掺杂半导体（不掺入任何杂质的半导体称为本征半导体），现在所用的电子元件中绝大多数（甚至全部）都是掺杂半导体

二、补充说明

1、

常温下，

单质硅有两种同素异形体，

一种为暗棕色无定形粉末，

可用镁使二氧化硅还原

而得，性质比较活泼，能够在空气中燃烧，称为无定形硅；另一种为性质稳定的结晶硅，呈

暗黑蓝色，可用炭在电炉中使二氧化硅还原而得。

常温下，固态质脆，熔点1687 K（1414℃），沸点3173 K（2900℃），摩尔体积12.06×10^-6 m……3/mol，密度为2.33g/cm^3，本征载流子浓度1.5×10^10cm^-3，电阻率为2300Ω·m。

2、

三、材料资源

1、

https://www.baidu.com/link?url=FyhLpFao9OPBHga_OXS10bjpH7vd9M3eXCsnB3UeKuLvBmSzzdVxtyvKyCZvTJavWuVh-JZnarLacUzHMoRKi_&ie=utf-8&f=8&tn=61089049_pg&wd=%E4%B8%BA%E4%BB%80%E4%B9%88%E7%A1%85%E8%83%BD%E5%BD%93%E5%8D%8A%E5%AF%BC%E4%BD%93&inputT=4827&bs=%E7%A1%85%E5%8D%8A%E5%AF%BC%E4%BD%93

2、http://wenku.baidu.com/link?url=Uz-sw8T6FZ0lSyitQ7GMsbz5vkOaP_6ZaPhmLf3ZE7Dmk2mSxJRtIp06arsNfF1m8YASL35mB6Gfxc1KhEIsA1XgkQEPVEqycdUgyXLTmDy

理论上所有半导体都可以作为芯片材料，但是硅的性质稳定、容易提纯、储存量巨大等等性质，是所有半导体材料中，最适合做芯片的。

在晶体管（二极管、三极管等等）未发明之前，初期电子计算机使用的是电子管，但是电子管体积巨大、功耗高、寿命短；人类第一台电子计算机使用18000个电子管，重30吨，占地150平方米，耗电功率高达150千瓦，但是其运算能力远远赶不上如今的一台掌上计算机。

后来科学家发明了晶体管，晶体管功耗低、体积小且寿命长，最早的晶体管是使用半导体材料锗来制作的，从此微电子出现在人们视野当中。

晶体管可以简单地理解为一种微型的开关，根据不同的组合设计，具有整流、放大、开关、稳压等等功能；制作晶体管的关键就是半导体材料，因为半导体材料一般具有特殊性质，比如硅掺入磷元素可以形成N型半导体，掺入硼元素可以形成P型半导体。

我们把N型半导体和P型半导体进行组合，可以形成PN结，这是电子芯片当中的重要结构，我们把各种结构进行组合，就可以完成特定的逻辑运算（比如与门、或门、非门等等）。

理论上，所有的半导体材料都可以作为芯片材料，但是芯片对材料的要求极高，所以真正适合做芯片的半导体材料并不多，比如硅、锗、碳化硅、氮化镓等等。

其中硅因为拥有众多优良特性，使得硅成为芯片的主要材料：

（1）硅元素的含量巨大，地球元素中仅次于氧元素（地球元素含量排行：氧>硅>铝>铁>钙>钠>钾……）。

（2）硅元素提纯技术成熟，制作成本低，最初晶体管使用锗作为芯片材料，是因为当初硅元素的提纯技术不成熟，如今硅的提纯可以达到99.999999999%。

（3）硅元素的性质稳定，包括化学性质和物质性质，比如锗做成晶体管，当温度达到75℃以上时，其导电率有较大变化，而且做成PN结后锗的反向漏电流比硅大，这对芯片的稳定性非常不利。

（4）硅本身是无毒无害的物质，我们常见的很多石头都含有二氧化硅（SiO2）。

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