为什么硅仍然在半导体行业占主导地位？

与任何生产行业一样，电子行业也在不断发展和进步。目前，最大的趋势之一是小型化，因为更小和更轻的组件需求逐年增长（尤其是PCB市场）。

为了实现电路的小型化、提高集成度，半导体技术也在不断缩小尺寸。现在，除了电感和一些无源元件，大多数电子设备都可以在一个硅芯片上制造。

在集成电路（IC）制造领域，硅尽管不是唯一的材料，但却是最常见的半导体材料。下面让我们来调查一下在IC制造中使用的不同半导体材料，并调查一下为什么硅仍然在半导体行业占主导地位。

材料

半导体的导电性（10-7 ~ 10-13 mho/m）介于良导体（》 10-7 mho/m）和绝缘体（《 10-13 mho/m）之间。半导体材料要么是单晶，要么是化合物。

单晶半导体的例子：

硅（Si）

锗（Ge）

化合物半导体的例子：

砷化镓（GaAs）

氮化镓（GaN）

磷化砷化镓（GaAsP）

硫化镉（CdS）

铅硫化物（PbS）

碳化硅（SiC）

最初，固态器件是用锗制造的，但锗有一个缺点：温度敏感性强。随着制造技术的改进，由于硅的热稳定性和可用性，硅的使用逐渐流行起来。

随着电子技术从开关和控制向计算和通信的发展，对高速设备的需求也随之增加。因此，砷化镓被认为是理想的材料，因为它提供了比硅快5倍的晶体管速率。

然而硅仍然是使用最广泛的半导体材料，砷化锗只用于高速、非常大规模的集成电路（VLSI）设计。锗也只用于某些特定用途。

硅、锗和砷化镓是目前最常用的半导体材料。其他的材料虽然也可以使用，但只会用于特定场景。

集成电路制造

半导体材料用于制造电子集成电路是有原因的。首先，这些材料（包括硅、锗和镓）由于原子之间的共价键而提供了晶体结构。

这些共价键是通过与相邻原子共享价电子（即最外层的电子）而形成的。由于周围有充足的光和热，许多电子获得了足够的动能，在材料中自由移动。

由于材料中的电子是“自由的”，它们可以在外部电场或电压的作用下指向某个方向。

为了保证理想的电气和物理性能，半导体材料通常被提炼到它们最纯净的形式，因此，它们被标记为固有材料。技术的发展可以保证在一个精制的固有晶体中，只会存在100亿分之一的杂质原子。

这些固有半导体材料的有趣之处在于，通过在晶格结构中加入杂质原子，可以很容易地改变和控制它们的导电性和电性能。例如，每1000万个原子中加入一个杂质原子就可以显著地改变其导电性。

这一过程被称为掺杂，掺杂后的半导体材料被称为外部材料，外部材料有n型和p型两种。硅和锗都是四价的；对于砷化镓，镓是三价的，砷化镓是五价的。

不管它们的价电子有多少，值得注意的是，由于共价键，硅、锗和砷化镓都具有结晶结构。

现在，当一种五价杂质，如砷、磷或锑被添加到固有半导体中，它就变成了一种n型外部物质。五价原子给晶体一个额外的电子，作为自由载流子。

类似地，p型材料是通过向固有材料中添加三价杂质，如镓、硼或铟来产生的。在新的晶体结构中，三价杂质有一个不足的电子来完全形成共价键。这个空位就像一个正电荷，叫做空穴。

当外加电场作用于n型或p型材料时，作为自由载流子的电子和空穴受到电场方向的驱动，从而产生电流的传导。

这种电流是电子和空穴运动的结果。在n型材料中，电子是多数荷电载流子，空穴是少数荷电载流子；在p型材料中是相反的，空穴是多数荷电载流子，而电子是少数荷电载流子。

固态电子器件由p型和n型材料组成。就像在二极管中一样，n型和p型的材料像三明治一样形成一个传导电流的结；在一个晶体管中，两个p型和一个n型，或者一个p型和两个n型夹在一起，在它们之间形成两个结——电流在其中传导。

材料性能对比

如前所述，硅、锗和砷化镓是目前制造集成电路中使用最广泛的固有半导体。

本征材料中的自由电子称为本征载流子，以下为本征材料的载流子（每立方厘米）：

硅：1.5 * 1010

锗：2.5 * 1013

砷化镓：1.7 * 106

另一个重要因素是固有载流子的相对迁移率，因为自由载流子通过材料的能力是由它决定的。根据定义，相对迁移率是载流子在电场作用下的平均速度。单位是米/秒除以伏特/米。

这些材料的相对迁移率如下：

硅：1500 cm2 / Vs

锗：3900 cm2 / Vs

砷化镓：8500 cm2/Vs

可以看到砷化镓具有最少的固有载流子数，但相对迁移率最高，这就是为什么用砷化镓制造的器件提供了最高的响应速度。

半导体材料的电学性质取决于自由载流子的数量和它们的相对迁移率。此外，半导体材料的热行为和光学行为很大程度上取决于它们的价带和导带之间的间隙。

半导体电阻的温度系数为负，导体电阻的温度系数为正。禁带越小，材料的热稳定性越低。

带隙以电子伏为单位测量如下：

硅：1.14 eV

锗：0.67 eV

砷化镓：1.43 eV

锗的热稳定性不是很好，因为它的带隙较小。这就是为什么它通常被选用于热和光敏感设备。

带隙越大，这种材料的热稳定性越高——这意味着它也更有可能以光的形式释放能量，而不是热。因此，砷化镓常被用于发光二极管的设计中。

热稳定的材料也更适合于计算和通信应用。

为什么选择硅

硅片仍然是集成电路制造中最常用的材料。这有三个主要原因：

硅储量丰富，很容易获得。更重要的是，硅的精炼过程在过去的几十年里有了巨大的进步，因此与其他半导体材料相比，获得具有极高纯度的本征硅是可能的。

现代电子应用是基于计算和通信，而不是交换和控制。这些应用要求电路具有热稳定性，与其他化合物半导体相比硅（带隙为1.14 eV）是最理想的。

硅的使用历史最久。第一个硅晶体管设计于1954年，因此芯片设计师对它很熟悉，并且多年来设计出了高效的芯片设计和硅系统；这也是为什么与其他半导体材料相比，在硅衬底上设计集成电路更具成本效益的原因。

砷化镓作为VLSI和ULSI设计的替代品，最终可能完全取代硅。砷化镓电路的速度是硅电路的5倍，因此随着对高速电路需求的增加，它可能会变得更有吸引力。

原文链接：

https://www.engineersgarage.com/ic-manufacturing-semiconductors-silicon-germanium-gallium-arsenide/

责任编辑：haq