为什么芯片要用硅作为半导体材料,而不用其他的?
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)。
2024-10-23 广告