半导体概念详解：硅和锗为何成为主流材料？
半导体概念详解：硅和锗为何成为主流材料？
半导体技术是现代电子工业的基础，而硅和锗作为最常见的半导体材料，它们的特性和应用对整个行业的发展至关重要。本文将从半导体的基本定义出发，深入探讨硅和锗作为半导体材料的优势，以及为什么锗管逐渐被硅管取代。
1. 定义
导体：一般为低价元素，它们的最外电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。如常用的导体铜，其原子序数为29，最外层电子数为1.
绝缘体：一般为高价元素或高分子物质，它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难失去电子，所以导电性很差，成为绝缘体。比如惰性气体，氖的最外层电子数为8，因此它难得电子也不容易失去电子。
半导体：它们的最外层电子不像导体那样容易失去电子，也不像绝缘体那难失去电子，而导电性介于二者之间。常用的半导体材料为硅和锗，它们的最外层电子数为4。
2. 为何常用的半导体材料是硅和锗？
常用的半导体材料是硅和锗，主要基于以下几个原因：
• 化学性质和结构稳定性：硅和锗都属于第IV族元素，具有四个价电子，符合制备半导体的要求。它们的化学性质相似，都能够与氧、氢、氯等元素形成化合物，使得它们易于制备和加工。同时，硅和锗在晶体学上有很好的结构稳定性，可以制备出高纯度、大尺寸、完整的单晶，这对于制备高性能的器件非常有利。
• 原料丰富和成本：硅在地壳中的储量很大，原料成本低廉。硅可以直接从砂石中提取，提纯工艺历经多年发展，已经达到高水平，因此硅材料的价格相对较低。
• 与二氧化硅的界面特性：硅与二氧化硅的界面性质良好，硅/二氧化硅的界面堪称完美。这一点对于集成电路的制造非常重要，因为二氧化硅可以作为杂质注入时的遮蔽层，有效阻挡磷元素和硼元素等，同时二氧化硅是非常稳定的绝缘体材料。
• 能带间隙：硅有更合适的能带间隙，对于较高的能带间隙来说可以承受较高的操作温度和较大的杂质掺杂范围，性能良好。而锗的能带间隙较窄，操作的范围就比较小。
• 晶体结构：晶体硅具有与金刚石一样的晶体结构，这意味着其强度够高，稳定性也够高。单晶硅有三个晶向，在实际的工艺过程中，可以采用异性刻蚀，对加工程度可以得到非常好的控制。
• 电子迁移率：虽然锗的电子迁移率比硅高，但硅的其他性能优势弥补了这一不足，使得硅在半导体领域更为广泛地被应用。
• 环境友好：硅作为一种自然界广泛存在的元素，资源丰富且可持续利用。而锗的提纯过程相对复杂，对环境可能产生一定的影响。综上所述，硅和锗因其独特的物理和化学特性，以及成本和环境因素，成为了最常用的半导体材料。
3. 为何锗管越来越少？
锗管被硅管替代的原因主要有以下几点：
• 资源丰富与成本：硅在地壳中的含量非常丰富，大约占26.3%，是仅次于氧的元素，因此原料成本低廉。相比之下，锗是一种稀有分散元素，在地壳中的含量较低，大约只有百万分之七，这使得锗的价格相对较高。
• 提纯技术：硅的提纯技术非常成熟，纯度可以达到10个9（99.999999999%），而锗的提纯难度和成本相对较高。
• 物理性质和化学性质的稳定性：硅的物理性质和化学性质都非常稳定，单个晶体管在CPU的一生中坏的概率极小。
• 禁带宽度高，热稳定性好：硅的禁带宽度约为1.12eV，而锗的禁带宽度约为0.66eV。硅的高禁带宽度使得它在高温环境下更加稳定，硅的最高工作结温可达150℃，而锗仅为约60℃。
• 易于形成绝缘层：硅表面很容易生成一层SiO2（二氧化硅），这是一种非常好的绝缘体，对于形成晶体管栅极非常有用。相比之下，锗在其表面形成这种氧化层并不那么容易。
• 工艺成熟度：硅的掺杂扩散工艺多种多样，制造过程中容易形成二氧化硅绝缘层等，而锗的工艺复杂度相对较高。
•电子迁移率：虽然锗的电子迁移率高于硅，这使得锗在高频应用中有一定的优势，但硅的其他性能优势弥补了这一不足，使得硅在半导体领域更为广泛地被应用。
综上所述，硅因其资源丰富、成本低廉、物理化学性质稳定、高禁带宽度、易于形成绝缘层以及成熟的工艺技术等优势，逐渐取代了锗成为半导体工业的主流材料。
在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定杂质元素时，导电性能具有可控性，并且光照和辐射等条件也可以改变其导电性，因此半导体基于这些特性被制成各种元器件。