为什么用单晶硅做CPU？

硅用来做CPU，是因为它的优点太多，而缺点都是可克服的。锗虽然也有优点（比如开启电压、载流子迁移率），但它的几个缺点是很难克服的。

若问及CPU的原料是什么，大家都会轻而易举的给出答案—是硅。这是不假，但硅又来自哪里呢？其实就是那些最不起眼的沙子。难以想象吧，价格昂贵，结构复杂，功能强大，充满着神秘感的CPU竟然来自那根本一文不值的沙子。

当然这中间必然要经历一个复杂的制造过程才行。不过不是随便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑细选，从中提取出最最纯净的硅原料才行。试想一下，如果用那最最廉价而又储量充足的原料做成CPU，那么成品的质量会怎样，你还能用上像现在这样高性能的处理器。

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还有锗器件在稍高的温度下表现不良的问题，以及锗本身比硅重，又比硅软，更容易碎；等等。而且现在整个半导体行业都以硅为基础，没人会开发锗的CPU。

目前锗的前途很大程度上在光电学方面，太阳能电池，光传感器，红外LED，锗激光器（这个已经被MIT做出来了，但不是大家想象中的激光笔那样子），等等。

因为硅做激光完全不可能，锗又能比较容易地在硅上生长出来，因此大家的理想是将用锗做成的光学器件与硅做成的电子器件整合在一张硅片上。那就牛逼了。

我们组是目前世界上唯一一个用Ge3H8和Ge4H10生长锗的研究组。目前我们在硅上面长锗已经能长得很好了，长出来的锗膜可以用来做衬底生长其他的半导体材料。

其实早期的晶体管使用的是锗制作的，但是由于锗不耐高温的缺点， 导致其逐渐被抛弃，硅就开始登上了历史的舞台，硅由于耐高温、稳定性强、价格便宜等优点开始被用在电子元器件上。

下面我详细给大家分析下：

为什么锗会被抛弃呢？

摩托罗拉当时制作了一款车载收音机，采用的就是锗晶体管，上市销售后经常会收到很多用户投诉收音机在中午阳光暴晒后就不能正常工作了，于是摩托罗拉开始寻找替代材料。这就是由于锗本身不耐高温缺陷导致的。锗在受热之后会变成本征态，双极结型晶体管不能再继续工作了。还有就是锗在地壳中的含量为一百万分之七，相比于氧、硅等常见元素要少很多，这就造成了较高的制造成本，尤其是电子设备都是百万千万甚至是上亿级别的出货量，这就会造成非常大的成本压力。此外锗的氧化物非常不稳定，以及锗的禁带宽度只有0.66eV，这就导致锗晶体管非常容易被击穿。

为什么选择硅呢？

因为硅具有以下优点，非常适合应用在电子元器件上。

1.硅的结构是晶体状，这就使硅具有很好的稳定性和强度；

2.硅的带隙更大，具有更好的热稳定性，比较耐高温；

3.硅的价格便宜，硅都是沙子提炼出来的，硅晶体管的制作工艺虽然复杂，但是原料接近成本价。

硅和锗储量相差巨大。

地壳中的元素丰度，硅是27.8%左右，也就是四分之一还多，锗是1.8ppm，也就是百万分之1.8，两者相差14万倍之多。硅可以由储量很丰富的石英提取，而锗只能在煤烟灰当中找到极微量。从这一点看，锗就不适合做CPU，自然界储量太稀少，提炼太复杂，不用说，价格是天价，平民无缘使用。

因此，如果用锗做半导体，成本巨高、性能巨差，没有低成本性能好的配套工艺技术供使用，不适合制造CPU一类器件。

好像是半导体单晶硅吧！针脚是金属还含有金！！！！\x0d\x0a作为计算机的核心组件，CPU（Central Processor Unit，中央处理器）在用户的心中一直是十分神秘的：在多数用户的心目中，它都只是一个名词缩写，他们甚至连它的全写都拚不出来；在一些硬件高手的眼里，CPU也至多是一块十余平方厘米，有很多脚的块块儿，而CPU的核心部分甚至只有不到一平方厘米大。他们知道这块不到一平方厘米大的玩意儿是用多少微米工艺制成的，知道它集成了几亿几千万晶体管，但鲜有了解CPU的制造流程者。今天，就让我们来详细的了解一下，CPU是怎样练成的。\x0d\x0a\x0d\x0a基本材料\x0d\x0a\x0d\x0a多数人都知道，现代的CPU是使用硅材料制成的。硅是一种非金属元素，从化学的角度来看，由于它处于元素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处，所以具有半导体的性质，适合于制造各种微小的晶体管，是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。从某种意义上说，沙滩上的沙子的主要成分也是硅（二氧化硅），而生产CPU所使用的硅材料，实际上就是从沙子里面提取出来的。当然，CPU的制造过程中还要使用到一些其它的材料，这也就是为什么我们不会看到Intel或者AMD只是把成吨的沙子拉往他们的制造厂。同时，制造CPU对硅材料的纯度要求极高，虽然来源于廉价的沙子，但是由于材料提纯工艺的复杂，我们还是无法将一百克高纯硅和一吨沙子的价格相提并论。\x0d\x0a\x0d\x0a制造CPU的另一种基本材料是金属。金属被用于制造CPU内部连接各个元件的电路。铝是常用的金属材料之一，因为它廉价，而且性能不差。而现今主流的CPU大都使用了铜来代替铝，因为铝的电迁移性太大，已经无法满足当前飞速发展的CPU制造工艺的需要。所谓电迁移，是指金属的个别原子在特定条件下（例如高电压）从原有的地方迁出。\x0d\x0a\x0d\x0a很显然，如果不断有原子从连接元件的金属微电路上迁出，电路很快就会变得千疮百孔，直到断路。这也就是为什么超频者尝试对Northwood Pentium 4的电压进行大幅度提升时，这块悲命的CPU经常在“突发性Northwood死亡综合症（Sudden Northwood Death Syndrome，SNDS）”中休克甚至牺牲的原因。SNDS使得Intel第一次将铜互连（Copper Interconnect）技术应用到CPU的生产工艺中。铜互连技术能够明显的减少电迁移现象，同时还能比铝工艺制造的电路更小，这也是在纳米级制造工艺中不可忽视的一个问题。\x0d\x0a\x0d\x0a不仅仅如此，铜比铝的电阻还要小得多。种种优势让铜互连工艺迅速取代了铝的位置，成为CPU制造的主流之选。除了硅和一定的金属材料之外，还有很多复杂的化学材料也参加了CPU的制造工作。\x0d\x0a\x0d\x0a准备工作\x0d\x0a\x0d\x0a解决制造CPU的材料的问题之后，我们开始进入准备工作。在准备工作的过程中，一些原料将要被加工，以便使其电气性能达到制造CPU的要求。其一就是硅。首先，它将被通过化学的方法提纯，纯到几乎没有任何杂质。同时它还得被转化成硅晶体，从本质上和海滩上的沙子划清界限。\x0d\x0a\x0d\x0a在这个过程中，原材料硅将被熔化，并放进一个巨大的石英熔炉。这时向熔炉里放入一颗晶种，以便硅晶体围着这颗晶种生长，直到形成一个几近完美的单晶硅。如果你在高中时把硫酸铜结晶实验做的很好，或者看到过单晶冰糖是怎么制造的，相信这个过程不难理解。同时你需要理解的是，很多固体物质都具有晶体结构，例如食盐。CPU制造过程中的硅也是这样。小心而缓慢的搅拌硅的熔浆，硅晶体包围着晶种向同一个方向生长。最终，一块硅锭产生了。\x0d\x0a\x0d\x0a现在的硅锭的直径大都是200毫米，而CPU厂商正在准备制造300毫米直径的硅锭。在确保质量不变的前提下制造更大的硅锭难度显然更大，但CPU厂商的投资解决了这个技术难题。建造一个生产300毫米直径硅锭的制造厂大约需要35亿美元，Intel将用其产出的硅材料制造更加复杂的CPU。而建造一个相似的生产200毫米直径硅锭的制造厂只要15亿美元。作为第一个吃螃蟹的人，Intel显然需要付出更大的代价。花两倍多的钱建造这样一个制造厂似乎很划不来，但从下文可以看出，这个投资是值得的。硅锭的制造方法还有很多，上面介绍的只是其中一种，叫做CZ制造法。\x0d\x0a\x0d\x0a硅锭造出来了，并被整型成一个完美的圆柱体，接下来将被切割成片状，称为晶圆。晶圆才被真正用于CPU的制造。一般来说，晶圆切得越薄，相同量的硅材料能够制造的CPU成品就越多。接下来晶圆将被磨光，并被检查是否有变形或者其它问题。在这里，质量检查直接决定着CPU的最终良品率，是极为重要的。\x0d\x0a\x0d\x0a有问题的晶圆将被掺入适当的其它材料，用以在上面制造出各种晶体管。掺入的材料沉积在硅原子之间的缝隙中。目前普遍使用的晶体管制造技术叫做CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductors，互补式金属氧化物半导体）技术，相信这个词你经常见到。简单的解释一下，CMOS中的C（Complementary）是指两种不同的MOS电路“N”电路和“P”电路之间的关系：它们是互补的。\x0d\x0a\x0d\x0a在电子学中，“N”和“P”分别是Negative和Positive的缩写，用于表示极性。可以简单的这么理解，在“N”型的基片上可以安装“P”井制造“P”型的晶体管，而在“P”型基片上则可以安装“N”井制造“N”型晶体管。在多数情况下，制造厂向晶圆里掺入相关材料以制造“P”基片，因为在“P”基片上能够制造出具有更优良的性能，并且能有效的节省空间的“N”型晶体管；而这个过程中，制造厂会尽量避免产生“P”型晶体管。\x0d\x0a\x0d\x0a接下来这块晶圆将被送入一个高温熔炉，当然这次我们不能再让它熔化了。通过密切监控熔炉内的温度、压力和加热时间，晶圆的表面将被氧化成一层特定厚度的二氧化硅（SiO2），作为晶体管门电路的一部分—基片。如果你学过逻辑电路之类的，你一定会很清楚门电路这个概念。通过门电路，输入一定的电平将得到一定的输出电平，输出电平根据门电路的不同而有所差异。电平的高低被形象的用0和1表示，这也就是计算机使用二进制的原因。在Intel使用90纳米工艺制造的CPU中，这层门电路只有5个原子那么厚。\x0d\x0a\x0d\x0a准备工作的最后一步是在晶圆上涂上一层光敏抗蚀膜，它具有光敏性，并且感光的部分能够被特定的化学物质清洗掉，以此与没有曝光的部分分离。\x0d\x0a\x0d\x0a完成门电路\x0d\x0a\x0d\x0a这是CPU制造过程中最复杂的一个环节，这次使用到的是光微刻技术。可以这么说，光微刻技术把对光的应用推向了极限。CPU制造商将会把晶圆上覆盖的光敏抗蚀膜的特定区域曝光，并改变它们的化学性质。而为了避免让不需要被曝光的区域也受到光的干扰，必须制作遮罩来遮蔽这些区域。想必你已经在Photoshop之类的软件里面认识到了遮罩这个概念，在这里也大同小异。\x0d\x0a\x0d\x0a在这里，即使使用波长很短的紫外光并使用很大的镜头，也就是说，进行最好的聚焦，遮罩的边缘依然会受到影响，可以简单的想象成边缘变模糊了。请注意我们现在讨论的尺度，每一个遮罩都复杂到不可想象，如果要描述它，至少得用10GB的数据，而制造一块CPU，至少要用到20个这样的遮罩。对于任意一个遮罩，请尝试想象一下北京市的地图，包括它的郊区；然后将它缩小到一块一平方厘米的小纸片上。最后，别忘了把每块地图都连接起来，当然，我说的不是用一条线连连那么简单。\x0d\x0a\x0d\x0a当遮罩制作完成后，它们将被覆盖在晶圆上，短波长的光将透过这些石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上，使之曝光。接下来停止光照并移除遮罩，使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜，以及在下面紧贴着抗蚀膜的一层硅。\x0d\x0a\x0d\x0a当剩余的光敏抗蚀膜也被去除之后，晶圆上留下了起伏不平的二氧化硅山脉，当然你不可能看见它们。接下来添加另一层二氧化硅，并加上了一层多晶硅，然后再覆盖一层光敏抗蚀膜。多晶硅是上面提到的门电路的另一部分，而以前这是用金属制造而成的（即CMOS里的M：Metal）。光敏抗蚀膜再次被盖上决定这些多晶硅去留的遮罩，接受光的洗礼。然后，曝光的硅将被原子轰击，以制造出N井或P井，结合上面制造的基片，门电路就完成了\x0d\x0a可能你会以为经过上面复杂的步骤，一块CPU就已经差不多制造完成了。实际上，到这个时候，CPU的完成度还不到五分之一。接下来的步骤与上面所说的一样复杂，那就是再次添加二氧化硅层，再次蚀刻，再次添加??重复多遍，形成一个3D的结构，这才是最终的CPU的核心。每几层中间都要填上金属作为导体。Intel的Pentium 4处理器有7层，而AMD的Athlon 64则达到了9层。层数决定于设计时CPU的布局，以及通过的电流大小。

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