为何CPU只用硅,而不用能耗更低的锗制作?

发布网友发布时间：2022-04-25 15:06

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热心网友时间：2023-10-10 23:49

锗很难用来做CPU，硅的地位也很难被取代在元素周期表中，金属和非金属元素之间有十二种具有半导体性质的元素，分别是：硼(B)、金刚石(C)、硅(Si)、锗(Ge)、灰-锡(Sn)、磷(P)、灰-砷(As)、黑-锑(Sb)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、碘(I)。

其中的大多数是不稳定的，硫、磷、砷、锑、碘都易挥发，灰-锡低温下才稳定，硼的熔点太高，不易制备单晶。只有锗、硅性能优越。

半导体是指在常温下电导率介于金属和绝缘体之间的一种材料，半导体的电导率并不是一成不变的，它会随着掺入的杂质元素、受热、受光照、受外力等种种外界条件，在绝缘体和金属之间电导率内发生变化。

第Ⅳ族的锗和硅的最外层电子有4个，原子之间能够形成排列整齐的晶格价键。而临近的Ⅲ族和Ⅴ族则变成了掺杂元素。

N型掺杂是掺入V族元素（如：磷P、砷As），V族元素相比Ⅳ族的外层电子多出一个，多出的电子能够作为导电的来源。P型掺杂是掺入Ⅲ族元素（如：硼B、氟化硼BF2），Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外层电子少一个，这种缺少电子的空位被称为空穴，空穴同样能够导电。

P、N两种半导体面对面放在一起会怎样？放在一起就形成了PN结，它具有单向导电性，电流只能从这一头流向另一头。一个PN结就可以形成半导体元器件中最简单的二极管，它同时也是构成三极管、场效应管等众多半导体元器件的基础结构。

给PN结加正向电压（P区接正极、N区接负极），多数载流子将在外电场力的驱动下源源不断地通过PN结，形成较大的扩散电流，称为正向电流。

给PN结加反向电压，多数载流子扩散运动减弱，没有正向电流通过PN结，只有少数载流子的漂移运动形成反方电流。由于少数载流子为数很少，所以反向电流很微弱，电阻很大。

半导体的光电特性在PN结处没有可以自由移动的电子和空穴，但晶格原子外层有许多被束缚的共价电子。光照射时共价电子获得能量，脱离晶格原子的束缚，变成可以自由移动的电子和空穴。所以光照可以使PN结产生电流。

如果在PN结两端加上正向电压，半导体中的电子和空穴就会在结处相遇之后消失（复合），并产生一束光子，但前提是制造PN结的材料为直接带隙半导体（如：GaAs、GaP、GaN等，这种材料中的电子和空穴复合时遵循动量守恒），而硅材料属于间接带隙半导体，只能制造具有整流、开关特性的二极管，而不能发出光子。硅的应用为什么广于锗?其实世界上第一只晶体管是用锗做的，在1947年诞生于贝尔实验室。

但在1954年美国的一次展会上，“德州仪器”的工程师戈登·蒂尔为硅做了一个非同凡响的广告。他将一台使用锗晶体管的电唱机扔进一桶热油中，电唱机立即禁声了。然后他又拆下锗晶体管，换上自己的硅晶体管，也扔进热油中，电唱机依然继续。从此，锗被晶体管抛弃了。

锗器件的稳定工作温度远不如硅器件高，它在地球上的含量也远远不及硅，所以在半导体工业发展初期就被硅取代了。目前CPU的地基“晶圆”所含技术并没有锗的身影晶圆是半导体构成的晶体圆片（又称衬底），它是制造CPU及其他半导体器件的“地基”。

第一代半导体晶圆以硅为代表，它的应用是最为广泛，但在光电、射频、功率等领域并没有很大的优势。第二代半导体晶圆以砷化镓（GaAs）为代表，主要应用于红外、绿光波段的光电子领域以及民用射频器件领域，目前发展比较成熟。第三代半导体晶圆以氮化镓（GaN）、碳化硅(SiC)为代表，处于发展阶段，但在蓝紫光波段的光电子领域、高性能军用射频领域、功率半导体领域有突出的优势。锗很难应用于CPU锗在地球的含量相对于硅来说可以用稀少来形容，锗本身比硅重，也比硅软，它很容易碎。锗的氧化物也不稳定，所以至今没有人用锗来开发CPU。

锗在半导体领域也并不是一无是处，主要应用于光电学领域，如太阳能电池、光传感器、红外LED、锗激光器等等。所以小伙伴们，别再说为什么不用锗来做CPU了。以上个人浅见，欢迎批评指正。认同我的看法，请点个赞再走，感谢！喜欢我的，请关注我，再次感谢！