为什么用硅锗做半导体材料

❶ 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。

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）。

❷ 为什么选用最外层电子为四的硅和锗作为半导体材料

是因为发现这些材料在一定工艺下生产的电子元件有半导体特性，才能作为半导体材料。

❸ 半导体材料中大多数选硅不选锗的原因

硅的热稳定性要比锗好得多,另外,三楼说的反向饱和电流也是很重要的因素之一.

❹ 从微观角度来说硅为什么可以作半导体材料

因为晶体硅具有一个非常重要的特性——单方向导电，也就是说，电流只能从一端流向另一端，制作半导体器件的原材料就需要具有有这种特有的特性材料。

多角度解释：
（1）热敏性 半导体材料的电阻率与温度有密切的关系.温度升高,半导体的电阻率会明显变小.例如纯锗（Ge）,温度每升高10度,其电阻率就会减少到原来的一半.
（2）光电特性 很多半导体材料对光十分敏感,无光照时,不易导电；受到光照时,就变的容易导电了.例如,常用的硫化镉半导体光敏电阻,在无光照时电阻高达几十兆欧,受到光照时电阻会减小到几十千欧.半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”.利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等.
近年来广泛使用着一种半导体发光器件--发光二极管,它通过电流时能够发光,把电能直接转成光能.目前已制作出发黄,绿,红,蓝几色的发光二极管,以及发出不可见光红外线的发光二极管.
另一种常见的光电转换器件是硅光电池,它可以把光能直接转换成电能,是一种方便的而清洁的能源.
（3）搀杂特性 纯净的半导体材料电阻率很高,但掺入极微量的“杂质”元素后,其导电能力会发生极为显著的变化.例如,纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米,若掺入百万分之一的硼元素,电阻率就会减小到0.4欧姆/厘米.因此,人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素,精确控制它的导电能力,用以制作各种各样的半导体器件
半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强.实际上,半导体与导体、绝缘体的区别在不仅在于导电能力的不同,更重要的是半导体具有独特的性能（特性）.
1． 在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质,半导体的导电性能就会成百万倍的增加—-这是半导体最显著、最突出的特性.例如,晶体管就是利用这种特性制成的.
2． 当环境温度升高一些时,半导体的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时,半导体的导电能力就显著地下降.这种特性称为“热敏”,热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的.
3． 当有光线照射在某些半导体时,这些半导体就像导体一样,导电能力很强；当没有光线照射时,这些半导体就像绝缘体一样不导电,这种特性称为“光敏”.例如,用作自动化控制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等,就是利用半导体的光敏特性制成的.
由此可见,温度和光照对晶体管的影响很大.因此,晶体管不能放在高温和强烈的光照环境中.在晶体管表面涂上一层黑漆也是为了防止光照对它的影响.最后,明确一个基本概验：所谓半导体材料,是一种晶体结构的材料,故“半导体”又叫“晶体”.
P性半导体和N型半导体----前面讲过,在纯净的半导体中加入一定类型的微量杂质,能使半导体的导电能力成百万倍的增加.加入了杂质的半导体可以分为两种类型：一种杂质加到半导体中去后,在半导体中会产生大量的带负电荷的自由电子,这种半导体叫做“N型半导体”（也叫“电子型半导体”）；另一种杂质加到半导体中后,会产生大量带正电荷的“空穴”,这种半导体叫“P型半导体”（也叫“空穴型半导体”）.例如,在纯净的半导体锗中,加入微量的杂质锑,就能形成N型半导体.同样,如果在纯净的锗中,加入微量的杂质铟,就形成P型半导体.
一个PN结构成晶体二极管----设法把P型半导体（有大量的带正电荷的空穴）和N型半导体（有大量的带负电荷的自由电子）结合在一起,见图1所示.
图1
在P型半导体的N型半导体相结合的地方,就会形成一个特殊的薄层,这个特殊的薄层就叫“PN结”.晶体二极管实际上就是由一个PN结构成的（见图1）.
例如,收音机中应用的晶体二极管,其触丝（即触针）部分相当于P型半导体,N型锗片就是N型半导体,他们之间的接触面就是PN结.P端（或P端引出线）叫晶体二极管的正端（也称正极）.N端（或N端引出线）叫晶体二极管的负端（也称负极）.
如果像图2那样,把正端连接电池的正极,把负端接电池的负极,这是PN结的电阻值就小到只有几百欧姆了.因此,通过PN结的电流（I=U/R）就很大.这样的连接方法（图2a）叫“正向连接”.正向连接时,晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“正向电压”；处在正向电压下,二极管（或PN结）的电阻叫“正向电阻”,在正向电压下,通过二极管（或PN结）的电流叫“正向电流”.很明显,因为晶体二极管的正向电阻很小（几百欧姆）,在一定正向电压下,正向电流（I=U/R）就会很大----这表明在正向电压下,二极管（或PN结）具有像导体一样的导电本领.
图2a 图2b
反过来,如果把P端接到电池的负极,N端接到电池的正极（见图2b）.这时PN结的电阻很大（大到几百千殴）,电流（I=U/R）几乎不能通过二极管,或者说通过的电流很微弱.这样的连接方法叫“反向连接”.反向连接时,晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“反向电压”；处在反向电压下,二极管（或PN结）的电阻叫“反向电阻”,在反向电压下,通过二极管（或PN结）的电流叫“反向电流”.显然,因为晶体二极管的正向电阻很大（几百千欧姆）,在一定的反向电压下,正向电流（I=U/R）就会很小,甚至可以忽略不计,----这表明在一定的反向电压下,二极管（或PN结）几乎不导电.
上叙实验说明这样一个结论：晶体二极管（或PN结）具有单向导电特性.
晶体二极管用字母“D”代表,在电路中常用图3的符号表示,即表示电流（正电荷）只能顺着箭头方向流动,而不能逆着箭头方向流动.图3是常用的晶体二极管的外形及符号.
图3
利用二极管的单向导电性可以用来整流（将交流电变成直流电）和检波（从高频或中频电信号取出音频信号）以及变频（如把高频变成固定的中频465千周）等.
PN结的极间电容----PN结的P型和N型两快半导体之间构成一个电容量很小的电容,叫做“极间电容”（如图4所示）.由于电容抗随频率的增高而减小.所以,PN结工作于高频时,高频信号容易被极间电容或反馈而影响PN结的工作.但在直流或低频下工作时,极间电容对直流和低频的阻抗很大,故一般不会影响PN结的工作性能.PN结的面积越大,极间电容量越大,影响也约大,这就是面接触型二极管（如整流二极管）和低频三极管不能用于高频工作的原因

❺ 为何选硅做半导体材料多角度分析。

（1）热敏性 半导体材料的电阻率与温度有密切的关系。温度升高，半导体的电阻率会明显变小。例如纯锗（Ge），温度每升高10度，其电阻率就会减少到原来的一半。

（2）光电特性 很多半导体材料对光十分敏感，无光照时，不易导电；受到光照时，就变的容易导电了。例如，常用的硫化镉半导体光敏电阻，在无光照时电阻高达几十兆欧，受到光照时电阻会减小到几十千欧。半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”。利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等。

近年来广泛使用着一种半导体发光器件--发光二极管，它通过电流时能够发光，把电能直接转成光能。目前已制作出发黄，绿，红，蓝几色的发光二极管，以及发出不可见光红外线的发光二极管。

另一种常见的光电转换器件是硅光电池，它可以把光能直接转换成电能，是一种方便的而清洁的能源。

（3）搀杂特性 纯净的半导体材料电阻率很高，但掺入极微量的“杂质”元素后，其导电能力会发生极为显著的变化。例如，纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米，若掺入百万分之一的硼元素，电阻率就会减小到0.4欧姆/厘米。因此，人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素，精确控制它的导电能力，用以制作各种各样的半导体器件
半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强。实际上，半导体与导体、绝缘体的区别在不仅在于导电能力的不同，更重要的是半导体具有独特的性能（特性）。

1． 在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万倍的增加—-这是半导体最显著、最突出的特性。例如，晶体管就是利用这种特性制成的。

2． 当环境温度升高一些时，半导体的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时，半导体的导电能力就显著地下降。这种特性称为“热敏”，热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的。

3． 当有光线照射在某些半导体时，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光线照射时，这些半导体就像绝缘体一样不导电，这种特性称为“光敏”。例如，用作自动化控制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等，就是利用半导体的光敏特性制成的。

由此可见，温度和光照对晶体管的影响很大。因此，晶体管不能放在高温和强烈的光照环境中。在晶体管表面涂上一层黑漆也是为了防止光照对它的影响。最后，明确一个基本概验：所谓半导体材料，是一种晶体结构的材料，故“半导体”又叫“晶体”。

P性半导体和N型半导体----前面讲过，在纯净的半导体中加入一定类型的微量杂质，能使半导体的导电能力成百万倍的增加。加入了杂质的半导体可以分为两种类型：一种杂质加到半导体中去后，在半导体中会产生大量的带负电荷的自由电子，这种半导体叫做“N型半导体”（也叫“电子型半导体”）；另一种杂质加到半导体中后，会产生大量带正电荷的“空穴”，这种半导体叫“P型半导体”（也叫“空穴型半导体”）。例如，在纯净的半导体锗中，加入微量的杂质锑，就能形成N型半导体。同样，如果在纯净的锗中，加入微量的杂质铟，就形成P型半导体。

一个PN结构成晶体二极管----设法把P型半导体（有大量的带正电荷的空穴）和N型半导体（有大量的带负电荷的自由电子）结合在一起，见图1所示。

图1

在P型半导体的N型半导体相结合的地方，就会形成一个特殊的薄层，这个特殊的薄层就叫“PN结”。晶体二极管实际上就是由一个PN结构成的（见图1）。

例如，收音机中应用的晶体二极管，其触丝（即触针）部分相当于P型半导体，N型锗片就是N型半导体，他们之间的接触面就是PN结。P端（或P端引出线）叫晶体二极管的正端（也称正极）。N端（或N端引出线）叫晶体二极管的负端（也称负极）。

如果像图2那样，把正端连接电池的正极，把负端接电池的负极，这是PN结的电阻值就小到只有几百欧姆了。因此，通过PN结的电流（I=U/R）就很大。这样的连接方法（图2a）叫“正向连接”。正向连接时，晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“正向电压”；处在正向电压下，二极管（或PN结）的电阻叫“正向电阻”，在正向电压下，通过二极管（或PN结）的电流叫“正向电流”。很明显，因为晶体二极管的正向电阻很小（几百欧姆），在一定正向电压下，正向电流（I=U/R）就会很大----这表明在正向电压下，二极管（或PN结）具有像导体一样的导电本领。

图2a 图2b

反过来，如果把P端接到电池的负极，N端接到电池的正极（见图2b）。这时PN结的电阻很大（大到几百千殴），电流（I=U/R）几乎不能通过二极管，或者说通过的电流很微弱。这样的连接方法叫“反向连接”。反向连接时，晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“反向电压”；处在反向电压下，二极管（或PN结）的电阻叫“反向电阻”，在反向电压下，通过二极管（或PN结）的电流叫“反向电流”。显然，因为晶体二极管的正向电阻很大（几百千欧姆），在一定的反向电压下，正向电流（I=U/R）就会很小，甚至可以忽略不计，----这表明在一定的反向电压下，二极管（或PN结）几乎不导电。

上叙实验说明这样一个结论：晶体二极管（或PN结）具有单向导电特性。

晶体二极管用字母“D”代表，在电路中常用图3的符号表示，即表示电流（正电荷）只能顺着箭头方向流动，而不能逆着箭头方向流动。图3是常用的晶体二极管的外形及符号。

图3

利用二极管的单向导电性可以用来整流（将交流电变成直流电）和检波（从高频或中频电信号取出音频信号）以及变频（如把高频变成固定的中频465千周）等。

PN结的极间电容----PN结的P型和N型两快半导体之间构成一个电容量很小的电容，叫做“极间电容”（如图4所示）。由于电容抗随频率的增高而减小。所以，PN结工作于高频时，高频信号容易被极间电容或反馈而影响PN结的工作。但在直流或低频下工作时，极间电容对直流和低频的阻抗很大，故一般不会影响PN结的工作性能。PN结的面积越大，极间电容量越大，影响也约大，这就是面接触型二极管（如整流二极管）和低频三极管不能用于高频工作的原因

❻ 为什么CPU只用硅做，却不用能耗更低的锗来做

CPU作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。CPU 自产生以来，在逻辑结构、运行效率以及功能外延上取得了巨大发展。

CPU有强大的算术运算单 元，可以在很少的时钟周期内完成算术计算。同时，有很大的缓存可以保存很多数据在里面。此外，还有复杂的逻辑控制单元，当程序有多个分支的时候， 通过提供分支预测的能力来降低延时。GPU是基于大的吞吐量设计，有很多的逻辑电路。

而逻辑电路对于高速元件的迫切需求，使得半导体制造工业不断以微缩、增加密度以及时钟速度的方式来取得更好的性能表现，但是在摩尔定律遭遇困境的当下，这种作法留给半导体技术的空间似乎已经不多。

以半导体的发展历程来看，锗算是最早的第一代半导体材料，目前虽然活跃在许多领域，但基本上已经离计算应用有段距离，若用来制造计算核心，其实还有许多困难需要突破。

因为其在电气特性上的优势，锗有机会和最新的三五族材料共同在半导体技术发展的道路上发光发热，其应用发展空间还很广，以单一应用面向来评论这个材料其实并不公平。

❼ 为什么锗半导体最先得到应用，而现在的半导体材料却大都采用硅半导体

原子半径小，线路可以做很细。硅是单晶，化学性质稳定。
高压下硅半导体版的压降比锗小得多权，所以电力电子都是用硅。
锗一般用于电子电路中的单个晶体管，在电子设备的电压等级之下，锗的压降更小，电阻也更小，适合做电子设备的开关管。

❽ 为什么硅半导体会取代锗成为工业主流原料

20世纪50年代单晶硅材料的出现，使半导体晶体管从锗向硅发展，进一步硅集成电路的研制成功回，导致了电答子工业革命，促使微电子技术和计算机技术得到了飞速发展。

通过掺杂这种手段，终于诞生了一个伟大的发明——晶体管。通过将硅晶体上很多晶体管连接在一起，就组成了集成电路芯片，它是所有电脑、“智能”家电和其他很多设备的核心。也许不是人人知道，在半导体工业发展的初期，唱主角的并不是硅，而是另一种半导体——锗。硅之所以能超越锗而占了上风，除了因为其资源极为丰富，易于获得外，还在于它很容易形成稳定的氧化硅薄膜。这种薄膜不但可以对芯片起到很好的绝缘和保护作用，而且很容易在芯片中产生绝缘区，这是因为氧化硅具有很高的化学稳定性，可以抵抗温度的急剧变化，使氧化膜下面的硅晶体得到很好的保护，而不会像氧化铁那样——铁锈只能使铁器的锈蚀情况更加严重。

❾ 选择硅锗作为半导体材料的原因

硅锗在化学周期表中介于金属元素与非金属元素之间
都具有二者一部分性质
而半导体是单向导电性 有金属与非金属一部分性质