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硅化学符号是Si，沙子的主要成分是二氧化硅，经提纯后可得高纯度的单晶硅是重要的半导体材料。 锗化学符号是Ge，是重要的半导体材料，在半导体器件上的应用已大部分被硅取代，仅在高频大功率器件上有一定用量，其他以光电雪崩二极管用量较大。 电流流过负载以后相对于同一参考点的电势（电位）变化称为电压降，简称压降。 芯片 硅PN结正向压降为0.7V左右，锗PN结正向压降为0.3V左右，这个参数意味着什么呢?意味着锗比硅压降要小，压降小就意味着启动电压就小，启动电压小意味着供电电压就小，供电电压小意味着功耗就小，功耗小意味着发热量就小。锗的开启电压非常小仅仅需要0.1V即可，而硅的开启电压却需要0.5V。 锗的优点还有:锗管空穴迁移率最大，是硅的四倍；电子迁移率是硅的两倍，意味着速度会更快。禁带宽度小，有利于发展低电压器件。激活温度远低于硅，有利于节省热预算。小的波尔激子半径，有助于提高它的场发射特性。小的禁带宽度，有助于组合介电材料，降低漏电流。 锗晶体管：一个金属箭头，插在一块锗上 锗的优点这么多，为什么还是发展不起来呢?追本溯源，回看晶体管的发展史，锗，曾经的明星。在半导体芯片发展的早期，硅只能当配角，锗才是真正的明星：第一个晶体管是锗晶体管；第一个集成电路（芯片）是锗芯片；有一段时间，晶体管市场的主流是锗，硅晶体管销量不及它的零头。最初锗管的研究应用是很广泛的，1947年贝尔实验室发表了第一个以锗半导体做成的点接触晶体管。由于点接触晶体管的性能尚不佳，肖克利提出了使用p-n 结面制作接面晶体管的方法，称为双极型晶体管，肖克利发明p-n 二极管及晶体管效应的研究获得1956年诺贝尔物理奖。回想七八十年代的收音机，分立原件锗管的应用到达了巅峰，到九十年代集成电路出现后锗就逐渐没落了，到现在几乎是没有锗芯片的，都是硅基芯片。 锗管 锗收音机 为什么历史选择了硅?1954年，很多人抱怨锗晶体管的一个坏的特性，不能在高温下工作，在温度方面，锗首先败下阵来：锗晶体管能耐受的温度只有80℃，而军方的要求是在200℃也能稳定运行，能扛住这个温度的，也只有硅晶体管了。限于当时技术水平，人们都认为硅晶体管还需要等上好几年的时候，从贝尔实验室跳槽到德州仪器的Gordon Teal从口袋里拿出了硅晶体管的成品， 那一刻使得Tl才从一个小电子公司突然变成了一个极具行业影响力的巨头，Tl不仅是第一个生产出硅晶体管的公司，更是第一个生产大众化晶体管的公司。 八位仙童 与此同时，肖克利的“八个叛徒”创办了仙童半导体公司，发明了制造扩散型硅晶体管的“平面处理工艺”，把硅晶体管的制造变得像印书一样简单、高效，价格还非常便宜。随着仙童公司的扩散型硅晶体管大量上市，晶体管开始告别锗时代，仙童公司实现6个月盈利，从名不见经传的小公司，跃升为可以和德州仪器这样的巨头肩并肩的半导体新贵。真正完全终结锗晶体管的，还是集成电路（俗称芯片）的发明。德州仪器和仙童公司同时发明了集成电路，但技术路线不同，德州仪器用的是锗晶片，仙童公司一如既往地用硅晶片。锗虽然退出芯片领域，但仍然是一种重要的半导体材料，在半导体元器件、传感器、太阳能电池等领域，重要而独特的地位依然不可替代。 硅晶圆 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。 相对于硅，锗的缺点也比较明显：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。 龟与芯片 硅锗芯片的兴起，两者结合，取长补短，能否成为新的起点?据国外媒体报道，IBM硅锗芯片速度高达500GHz，IBM与佐治亚理工学院成功在温度为-268℃下，使一颗芯片运行在500GHz，这刷新了硅锗芯片的速度记录。研究人员使芯片温度达到了-268℃，这样的低温在自然界只存在于外太空，已接近绝对零度。硅锗芯片在低温下可以获得更好的性能，研究人员预言最终芯片的频率可达1THz。 此项实验是探索硅锗(SiGe)芯片速度极限计划的一部分，这种芯片类似于标准的硅基芯片，但是它含有锗元素使得芯片的功耗更低，性能更佳。 在室温下，IBM和佐治亚理工学院的芯片已经可以稳定运行在350GHz，相对之下，目前个人电脑处理器的速度为1.8GHz至3.8GHz。 加入锗元素可有效提高芯片性能并降低功耗，同时也会增加晶圆和芯片的生产成本。目前高性能的硅锗芯片只应用导弹防御系统、宇宙飞行器以及遥感测量等特殊领域。 硅锗芯片 |
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