为何CPU只用硅，而不用能耗更低的锗制作？

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。

在硅片上制造微电路是成批地制造，在微小的面积上制出晶体管、电阻、电容而且按要求连成电路已属不易，而在一定面积的硅片上制造出性能一致的芯片则更加困难。集成电路的生产，大多是从硅片制备开始的，硅片的制备需要专门的设备和严格的生产条件。集成电路的制作过程更加复杂，为了保证工艺质量需使用大量昂贵的设备。仅以光刻机为例，我们从国外购买一台光刻机的价格就是2000万美金，而光刻机的型号升级诸如从5000型升级到6000型，则要投入上亿美金。而且，集成电路的制作对生产厂房的温度、湿度、空气的清洁度都有很高的要求，集成电路的生产一般都要在超净车间中进行，这种厂房的基本建设投资也大大高于一般厂房，相对于0．25微米6英寸的生产线建设投资2亿美金，建设一条0．25微米8英寸的线则需投入10到15亿美金。

集成电路的制造工艺、设备不仅非常复杂、昂贵，更需要不断创新。英特尔近来已经宣布将投入75亿美元改造它目前的0．18微米生产技术和设备，以采用0．13微米的制造工艺，并在这一工艺制造的集成电路芯片上采用铜线技术而非目前的铝线技术，因为铜线技术可以使芯片的运转速度更快、成本更低而且使用时升温幅度更小。

当我们在某种程度上逾越了技术封锁与设备禁运的时候，使我们掣肘的是我国技术工业的基础还有相当大的差距。举一个例子，光刻机的研制需要光学、精密仪器、机械、计算机控制等多种学科的知识，我们虽然可以把光刻机的原型器械和原理搞得一清二楚，但是经过材料、加工到生产的一系列环节之后，就是无法做出大规模生产的这种机器来。我们可以从美国买来光刻机，从意大利买来刻蚀机等等，但是我们很难把这些设备配置在一起，我国在集成电路工艺上的研究还没有大突破，集成电路工艺是设计和设备的桥梁和基础，设计与工艺不结合，设计做不上去，设备也做不出来。

还有一个值得指出的是，技术引进不等于自主技术的提升。随着我国对外开放、经济环境的日益宽松，现在技术、资本、设备都成套地被引进来，这在促进我国设备和材料方面具有一定的积极作用，但对于其它方面并没有什么太多的影响，因为这种引进并没有改变我国集成电路的技术工业基础，在核心技术层面上并没有使我们与先进水平缩短什么差距。

讲一个我们亲身经历的事儿。首钢 N EC最初引进的是6英寸、0．5微米（部分是0．35微米）的生产工艺，开始由 N EC负责管理生产、产品销售，日子很好的时候，我们提出想与他们进行研发合作，但颇受冷落。可是几年以后他们引进的技术落后了，外方也放手许可他们做“代工”，但是没有技术支撑，能做什么呢？后来他们回过头来又找我们合作；最近我们还听到华虹 N EC传出巨额亏损的消息，于是也有人反问：如果像华虹 N EC有关人士介绍的，它的亏损缘自世界半导体需求的下降以及 D RAM价格的暴跌，那么 D RAM卖不动了可不可以做些别的？我们没有这样的开发能力，不可能进行产品转型。

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。

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