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為什么 CPU 只用硅做,而不用能耗更低的鍺做?

h1654155971.7688 ? 來源:未知 ? 作者:楊鑫 ? 2018-03-06 17:25 ? 次閱讀

制作CPU的原料主要是沙子,額,不要驚呆,這是真滴,但是此沙子非你家建房子用的那種粗糙的沙子,這些沙子都是從專門的礦里面挖出來的,純度比我們平常見到的沙子高很多。這些沙子經過數千攝氏度的的高溫和化學藥品的凈化,就變成了完全純凈的硅柱。所以可以這么說,CPU就是在一張硅片上,刻幾百萬個晶體二極管。但是在很早之前,晶體管一直是用鍺做的。

1947年,貝爾實驗室研制出了世界上第一只點接觸三極管,采用就是鍺材料,這奠定了微電子工業的基礎。直到20世紀50年代末、60年代初以前的十幾年間,鍺都是雙極型晶體管的主要支撐材料。下面這玩意就是世界上第一只晶體管!

此外,世界上第一個和第一個商用的雙極結型晶體管都是用鍺做的。摩托羅拉公司當時還是一家車載收音機的制造商。摩托羅拉是當時第一家使用晶體管來制造收音機的廠商

摩托羅拉Chrome Nose車載收音機但是好景不長,摩托羅拉收到了大量用戶投訴,說他們發現摩托羅拉的車載收音機在午后的陽光下曝曬一個下午后,就不再工作了。摩托羅拉被搞得焦頭爛額,這么弱不經高溫的材料必須得換啊,從市場方面考慮,摩托羅拉公司開始考慮用硅替換鍺來制造晶體管。為什么必須要拋棄鍺使用硅呢?首先這是由鍺本身的缺陷決定的。鍺在受熱之后會變成本征態,這使得n型半導體和p型半導體都失去了它們特有的性質,這樣雙極結型晶體管不能再工作了。鍺CPU在75℃以上就不能工作了,想想看,如果現在還用著鍺CPU,就用不小米手機煎雞蛋了(我什么都沒說)。鍺材料還存在著這幾個問題:1、鍺的地殼含量很少,據估計地殼中鍺的含量是1.8ppm(百萬分之一),而硅的含量是277100 ppm,這導致了過高的制造成本;2、鍺的氧化物非常不穩定,在400℃以上還容易發生解析反應,所以器件制作難度大、器件穩定性差和大的柵漏電流,所以單一的GeOx/Ge結構難成為鍺基 MOSFET器件的理想柵介質和隔離層;3、鍺的禁帶寬度只有0.66eV,相比于硅的1.12eV,這就導致鍺器件比較容易被擊穿,靜態功耗就大了;4、現有水平制備出的鍺襯底,達不到硅的純度和低界面態密度。由于存在以上問題,60年代之后硅逐漸取代了鍺。這是歷史的必然,也是硅優異的性質決定的。硅主要有以下幾個優點。1、硅有著和鉆石一樣棒的晶體結構,這賦予了硅極好的穩定性和強度2、硅有個超棒的隊友二氧化硅(SiO2),用簡單的爐式氧化法就可以得到非常高質量的二氧化硅,而且界面態很少。啥是爐式氧化法呢?大概就和烤面包差不多,類似你把硅片放到一個充滿氧氣的烤箱里去烤一下。其實很多半導體工藝都能找到生活中的類比物,太陽能電池的制造就和咱們烙煎餅果子差不多,我會亂說?3、硅的帶隙更大,具有更好的熱穩定性4、硅材料便宜啊,硅都是沙子提煉出來的,想想地球上有多少沙子可以用吧!硅制作的工藝雖然復雜,但是原料成本接近0。鍺在地殼中分布非常分散,成品鍺(還不是半導體級別)的價格就已經超越了白銀,差不多將近2000美元一公斤。但是,CPU材料用硅替代了鍺不代表鍺就沒有用武之地了,鍺半導體器件用作二極管、晶體三極管及復合晶體管、鍺半導體光電器件作光電、霍耳及壓阻效應的傳感器,作光電導效應的放射線檢測器等,廣泛用于彩電、電腦、電話及高頻設備中,鍺管特別適用于高頻大功率器件中,且在強輻射與-40℃下運轉正常;Ge-Si與Ge-Te作溫差發電用于宇航、衛星與空間站的啟動電源等。鍺的三接面太陽能電池用鍺作為襯底制作的GaAs/Ge太陽能電池,其性能與GaAs/GaAs電池接近,機械強度要更高,單片電池面積更大。在空間應用環境下,抗輻射閾值比硅電池高,性能衰退小,其應用成本接近于同樣功率的硅電池板,已應用于各型軍用衛星和部分商業衛星中,逐步成為主要的空間電源。未來,隨著工藝尺寸的不斷縮小,Si材料將達到其物理極限(電子和空穴遷移率過低是硬傷),Ge或者Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體或許是作為溝道材料的一個很好選擇。“三十年河東三十年河西”,誰知道鍺未來會不會又翻身呢!

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原文標題:世界上第一個晶體管居然是鍺做的,那么硅又是怎么成功“上位”的?

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