金刚石,石墨,水晶能直接用作半导体材料吗?为什么？

这个问题让人很无语这三种物质都不能做半导体材料半导体材料的一个特点是比较多比较便宜你难道会用水晶做半导体材料？还有金刚石那么硬的东西你得用什么样的技术来光刻啊什么的呢但是如果假如一些其他元素理论上金刚石是可以做成半导体的不过这个需要很多的条件所以现在还没有用金刚石做半导体的石墨本身导电性就很好所以做半导体很困难现在的主流半导体材料是硅宽禁带半导体一般是砷化镓什么的

碳有很多同素异形体，也不是每种异形体都可以导电，典型的石墨导电是因为在石墨结构（SP2杂化，不规则六棱柱晶体结构堆积）中存在广泛的离域电子（派电子），电子可以自由移动所以可以导电。但金刚石则不能导电，因为此时的碳杂化是严格的Sp3的，没有自由移动的电子，且空间利用度较大，也就不能通过改良填充形成导电体因此不具有导电性。

扩展资料：

应用领域

碳对于现有已知的所有生命系统都是不可或缺的，没有它，生命不可能存在。

除食物和木材以外的碳的主要经济利用是烃（最明显的是石油和天然气）的形式。原油由石化行业在炼油厂通过分馏过程来生产其他商品，包括汽油和煤油。

纤维素是一种天然的含碳的聚合物，从棉、麻、亚麻等植物中获取。纤维素在植物中的主要作用的维持植物本身的结构。来源于动物的具有商业价值的聚合物包括羊毛、羊绒、丝绸等都是碳的聚合物，通常还包括规则排列在聚合物主链的氮原子和氧原子。

碳及其化合物多种多样。碳还能与铁形成合金，最常见的是碳素钢；石墨和黏土混合可以制用于书写和绘画的铅笔芯，石墨还能作为润滑剂和颜料，作为玻璃制造的成型材料，用于电极和电镀、电铸，电动马达的电刷，也是核反应堆中的中子减速材料；焦炭可以用于烧烤、绘图材料和炼铁工业；宝石级金刚石可作为首饰，工业用金刚石用于钻孔、切割和抛光，以及加工石头和金属的工具。

半导体在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体主要运用在收音机、电视机和测温上。半导体是指一种导电性可控，范围从绝缘体到导体之间的材料。从科学技术和经济发展的角度 来看，半导体影响着人们的日常工作生活，直到20世纪30年代这一材料才被学界所认可。

参考资料来源：百度百科-碳

参考资料来源：百度百科-半导体

价格太昂贵。

首先，你所说的三五族(III-V族)半导体器件性能很高，这里的“性能”并不是集成电路的器件所需要的性能。

III-V族半导体器件性能高，主要还是说III-V族半导体材料用做发光器件、功率器件或微波射频器件时，发光效率高，反向耐压高或导通电阻低吧？而集成电路不需要发光，所以光效高用不上；集成电路比如CPU工作电压才1V，III-V族器件动辄几百伏上千伏的耐压不需要；而集成电路的基本单元是NMOS和PMOS构成的CMOS电路，在工作的时候只有电位改变，器件根本不导通，所以导通电阻低也没啥用。综上，III-V族半导体材料用到集成电路里和硅相比没啥特别优势吧？

其次，硅可以说是神赐予人类的材料，有非常多优良性质，也只有硅单晶的这些性质，才能够使大规模集成电路成为可能。

1.硅可使用熔融法拉单晶，单晶尺寸很容易做大，并且制备的硅晶圆纯度极高，位错密度极低。

硅单晶纯度99.999999999%(11个9，11N)，GaN单晶纯度7N

硅单晶穿线位错是个位数量级，甚至有无位错硅单晶，而GaN单晶穿线位错密度在每平方厘米百万量级

硅可以做到12寸晶圆，GaN单晶只有4寸

并且因为GaN无法使用熔融法拉单晶，制造成本很高，6寸硅晶圆150元/片，2寸氮化镓晶圆1万元/片

2.硅可以通过热氧化制出厚度极均匀，密度极高的二氧化硅绝缘膜。

集成电路的基元是MOSFET，这种器件的栅极控制器件通断，金属和半导体之间需要一层氧化物形成特殊的能带结构，以便于用栅极电压控制源漏电路的通断

而集成电路规模越大，器件尺寸越小，需要的栅极氧化物也越薄，这个时候栅极氧化物的均匀性就非常重要

通过控制硅晶圆表面温度均匀性，可以在12寸硅晶圆表面通过高温热氧化形成厚度均匀性在纳米量级的二氧化硅层，使大规模集成电路成为可能。可以做一个类比，如果硅晶圆面积和地球表面积一样大，那么就相当于在地球表面形成一层厚度均匀性在1m以内的土墙，这样一想是不是觉得蛮不可思议的

当然现在有了原子层沉积技术，对于III-V族氮化物形成均匀膜层也并非不可能，但是膜层密度和制造成本相较硅还是高很多

3.在地球上硅储量及其丰富，价格及其便宜。

地壳中的元素含量依次是氧，硅，铝。。。

硅元素含量排第二位，比如沙子基本就是二氧化硅，而硅晶圆的原材料其实就是沙子

Ga这种元素就少多了，而且开采很不容易，一般都是铝矿的伴生矿，现在1kg大概3000元的样子，想想1kg沙子多少钱，就知道如果CPU变成GaN做的你还有没有可能用得起了。。

最后，我要说明一下，虽然有上述问题，让III-V族材料难以广泛应用于大规模集成电路，但是并不是说III-V族半导体材料就完全没机会。

III-V族半导体材料可以制备高性能光电、功率和微波射频器件，控制这些器件的电路如果用硅集成电路来做，需要用bonding做电链接，难以小型化，还会有其他一些问题

如果能直接使用III-V族半导体材料做逻辑电路，哪怕关键尺寸(CD)不像硅那么小(就是平时说的14nm制程，GaN一般在1μm，也就是说同样面积可以放100个硅MOS，只能放1个GaN器件)，成本高一点，也不是不能接受，所以一直有人在往这个方向努力

这不是2021年热乎的nature子刊文章出来了，港科大研究团队在硅基氮化镓上系统验证了小规模GaN逻辑电路[1]

2021年III-V族半导体逻辑电路才刚完成验证，距离应用推广应该还有几年，我是很期待这个技术方向以后的发展的，大家一起拭目以待吧，说不定技术的发展以后就推翻了III-V族半导体材料不能应用于大规模集成电路的这个判断了呢？

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