為什麼用硅鍺做半導體材料

❶ 為什麼晶元要用硅作為半導體材料，而不用其他的

理論上所有半導體都可以作為晶元材料，但是硅的性質穩定、容易提純、儲存量巨大等等性質，是所有半導體材料中，最適合做晶元的。

在晶體管（二極體、三極體等等）未發明之前，初期電子計算機使用的是電子管，但是電子管體積巨大、功耗高、壽命短；人類第一台電子計算機使用18000個電子管，重30噸，佔地150平方米，耗電功率高達150千瓦，但是其運算能力遠遠趕不上如今的一台掌上計算機。

其中硅因為擁有眾多優良特性，使得硅成為晶元的主要材料：

（1）硅元素的含量巨大，地球元素中僅次於氧元素（地球元素含量排行：氧>硅>鋁>鐵>鈣>鈉>鉀……）。

（2）硅元素提純技術成熟，製作成本低，最初晶體管使用鍺作為晶元材料，是因為當初硅元素的提純技術不成熟，如今硅的提純可以達到99.999999999%。

（3）硅元素的性質穩定，包括化學性質和物質性質，比如鍺做成晶體管，當溫度達到75℃以上時，其導電率有較大變化，而且做成PN結後鍺的反向漏電流比硅大，這對晶元的穩定性非常不利。

（4）硅本身是無毒無害的物質，我們常見的很多石頭都含有二氧化硅（SiO2）。

❷ 為什麼選用最外層電子為四的硅和鍺作為半導體材料

是因為發現這些材料在一定工藝下生產的電子元件有半導體特性，才能作為半導體材料。

❸ 半導體材料中大多數選硅不選鍺的原因

硅的熱穩定性要比鍺好得多,另外,三樓說的反向飽和電流也是很重要的因素之一.

❹ 從微觀角度來說硅為什麼可以作半導體材料

因為晶體硅具有一個非常重要的特性——單方向導電，也就是說，電流只能從一端流向另一端，製作半導體器件的原材料就需要具有有這種特有的特性材料。

多角度解釋：
（1）熱敏性 半導體材料的電阻率與溫度有密切的關系.溫度升高,半導體的電阻率會明顯變小.例如純鍺（Ge）,溫度每升高10度,其電阻率就會減少到原來的一半.
（2）光電特性 很多半導體材料對光十分敏感,無光照時,不易導電；受到光照時,就變的容易導電了.例如,常用的硫化鎘半導體光敏電阻,在無光照時電阻高達幾十兆歐,受到光照時電阻會減小到幾十千歐.半導體受光照後電阻明顯變小的現象稱為「光導電」.利用光導電特性製作的光電器件還有光電二極體和光電三極體等.
近年來廣泛使用著一種半導體發光器件--發光二極體,它通過電流時能夠發光,把電能直接轉成光能.目前已製作出發黃,綠,紅,藍幾色的發光二極體,以及發出不可見光紅外線的發光二極體.
另一種常見的光電轉換器件是硅光電池,它可以把光能直接轉換成電能,是一種方便的而清潔的能源.
（3）攙雜特性 純凈的半導體材料電阻率很高,但摻入極微量的「雜質」元素後,其導電能力會發生極為顯著的變化.例如,純硅的電阻率為214×1000歐姆/厘米,若摻入百萬分之一的硼元素,電阻率就會減小到0.4歐姆/厘米.因此,人們可以給半導體摻入微量的某種特定的雜質元素,精確控制它的導電能力,用以製作各種各樣的半導體器件
半導體的導電性能比導體差而比絕緣體強.實際上,半導體與導體、絕緣體的區別在不僅在於導電能力的不同,更重要的是半導體具有獨特的性能（特性）.
1． 在純凈的半導體中適當地摻入一定種類的極微量的雜質,半導體的導電性能就會成百萬倍的增加—-這是半導體最顯著、最突出的特性.例如,晶體管就是利用這種特性製成的.
2． 當環境溫度升高一些時,半導體的導電能力就顯著地增加；當環境溫度下降一些時,半導體的導電能力就顯著地下降.這種特性稱為「熱敏」,熱敏電阻就是利用半導體的這種特性製成的.
3． 當有光線照射在某些半導體時,這些半導體就像導體一樣,導電能力很強；當沒有光線照射時,這些半導體就像絕緣體一樣不導電,這種特性稱為「光敏」.例如,用作自動化控制用的「光電二極體」、「光電三極體」和光敏電阻等,就是利用半導體的光敏特性製成的.
由此可見,溫度和光照對晶體管的影響很大.因此,晶體管不能放在高溫和強烈的光照環境中.在晶體管表面塗上一層黑漆也是為了防止光照對它的影響.最後,明確一個基本概驗：所謂半導體材料,是一種晶體結構的材料,故「半導體」又叫「晶體」.
P性半導體和N型半導體----前面講過,在純凈的半導體中加入一定類型的微量雜質,能使半導體的導電能力成百萬倍的增加.加入了雜質的半導體可以分為兩種類型：一種雜質加到半導體中去後,在半導體中會產生大量的帶負電荷的自由電子,這種半導體叫做「N型半導體」（也叫「電子型半導體」）；另一種雜質加到半導體中後,會產生大量帶正電荷的「空穴」,這種半導體叫「P型半導體」（也叫「空穴型半導體」）.例如,在純凈的半導體鍺中,加入微量的雜質銻,就能形成N型半導體.同樣,如果在純凈的鍺中,加入微量的雜質銦,就形成P型半導體.
一個PN結構成晶體二極體----設法把P型半導體（有大量的帶正電荷的空穴）和N型半導體（有大量的帶負電荷的自由電子）結合在一起,見圖1所示.
圖1
在P型半導體的N型半導體相結合的地方,就會形成一個特殊的薄層,這個特殊的薄層就叫「PN結」.晶體二極體實際上就是由一個PN結構成的（見圖1）.
例如,收音機中應用的晶體二極體,其觸絲（即觸針）部分相當於P型半導體,N型鍺片就是N型半導體,他們之間的接觸面就是PN結.P端（或P端引出線）叫晶體二極體的正端（也稱正極）.N端（或N端引出線）叫晶體二極體的負端（也稱負極）.
如果像圖2那樣,把正端連接電池的正極,把負端接電池的負極,這是PN結的電阻值就小到只有幾百歐姆了.因此,通過PN結的電流（I=U/R）就很大.這樣的連接方法（圖2a）叫「正向連接」.正向連接時,晶體管二極體（或PN結）兩端承受的電壓叫「正向電壓」；處在正向電壓下,二極體（或PN結）的電阻叫「正向電阻」,在正向電壓下,通過二極體（或PN結）的電流叫「正向電流」.很明顯,因為晶體二極體的正向電阻很小（幾百歐姆）,在一定正向電壓下,正向電流（I=U/R）就會很大----這表明在正向電壓下,二極體（或PN結）具有像導體一樣的導電本領.
圖2a 圖2b
反過來,如果把P端接到電池的負極,N端接到電池的正極（見圖2b）.這時PN結的電阻很大（大到幾百千毆）,電流（I=U/R）幾乎不能通過二極體,或者說通過的電流很微弱.這樣的連接方法叫「反向連接」.反向連接時,晶體管二極體（或PN結）兩端承受的電壓叫「反向電壓」；處在反向電壓下,二極體（或PN結）的電阻叫「反向電阻」,在反向電壓下,通過二極體（或PN結）的電流叫「反向電流」.顯然,因為晶體二極體的正向電阻很大（幾百千歐姆）,在一定的反向電壓下,正向電流（I=U/R）就會很小,甚至可以忽略不計,----這表明在一定的反向電壓下,二極體（或PN結）幾乎不導電.
上敘實驗說明這樣一個結論：晶體二極體（或PN結）具有單向導電特性.
晶體二極體用字母「D」代表,在電路中常用圖3的符號表示,即表示電流（正電荷）只能順著箭頭方向流動,而不能逆著箭頭方向流動.圖3是常用的晶體二極體的外形及符號.
圖3
利用二極體的單向導電性可以用來整流（將交流電變成直流電）和檢波（從高頻或中頻電信號取出音頻信號）以及變頻（如把高頻變成固定的中頻465千周）等.
PN結的極間電容----PN結的P型和N型兩快半導體之間構成一個電容量很小的電容,叫做「極間電容」（如圖4所示）.由於電容抗隨頻率的增高而減小.所以,PN結工作於高頻時,高頻信號容易被極間電容或反饋而影響PN結的工作.但在直流或低頻下工作時,極間電容對直流和低頻的阻抗很大,故一般不會影響PN結的工作性能.PN結的面積越大,極間電容量越大,影響也約大,這就是面接觸型二極體（如整流二極體）和低頻三極體不能用於高頻工作的原因

❺ 為何選硅做半導體材料多角度分析。

（1）熱敏性 半導體材料的電阻率與溫度有密切的關系。溫度升高，半導體的電阻率會明顯變小。例如純鍺（Ge），溫度每升高10度，其電阻率就會減少到原來的一半。

（2）光電特性 很多半導體材料對光十分敏感，無光照時，不易導電；受到光照時，就變的容易導電了。例如，常用的硫化鎘半導體光敏電阻，在無光照時電阻高達幾十兆歐，受到光照時電阻會減小到幾十千歐。半導體受光照後電阻明顯變小的現象稱為「光導電」。利用光導電特性製作的光電器件還有光電二極體和光電三極體等。

近年來廣泛使用著一種半導體發光器件--發光二極體，它通過電流時能夠發光，把電能直接轉成光能。目前已製作出發黃，綠，紅，藍幾色的發光二極體，以及發出不可見光紅外線的發光二極體。

另一種常見的光電轉換器件是硅光電池，它可以把光能直接轉換成電能，是一種方便的而清潔的能源。

（3）攙雜特性 純凈的半導體材料電阻率很高，但摻入極微量的「雜質」元素後，其導電能力會發生極為顯著的變化。例如，純硅的電阻率為214×1000歐姆/厘米，若摻入百萬分之一的硼元素，電阻率就會減小到0.4歐姆/厘米。因此，人們可以給半導體摻入微量的某種特定的雜質元素，精確控制它的導電能力，用以製作各種各樣的半導體器件
半導體的導電性能比導體差而比絕緣體強。實際上，半導體與導體、絕緣體的區別在不僅在於導電能力的不同，更重要的是半導體具有獨特的性能（特性）。

1． 在純凈的半導體中適當地摻入一定種類的極微量的雜質，半導體的導電性能就會成百萬倍的增加—-這是半導體最顯著、最突出的特性。例如，晶體管就是利用這種特性製成的。

2． 當環境溫度升高一些時，半導體的導電能力就顯著地增加；當環境溫度下降一些時，半導體的導電能力就顯著地下降。這種特性稱為「熱敏」，熱敏電阻就是利用半導體的這種特性製成的。

3． 當有光線照射在某些半導體時，這些半導體就像導體一樣，導電能力很強；當沒有光線照射時，這些半導體就像絕緣體一樣不導電，這種特性稱為「光敏」。例如，用作自動化控制用的「光電二極體」、「光電三極體」和光敏電阻等，就是利用半導體的光敏特性製成的。

由此可見，溫度和光照對晶體管的影響很大。因此，晶體管不能放在高溫和強烈的光照環境中。在晶體管表面塗上一層黑漆也是為了防止光照對它的影響。最後，明確一個基本概驗：所謂半導體材料，是一種晶體結構的材料，故「半導體」又叫「晶體」。

P性半導體和N型半導體----前面講過，在純凈的半導體中加入一定類型的微量雜質，能使半導體的導電能力成百萬倍的增加。加入了雜質的半導體可以分為兩種類型：一種雜質加到半導體中去後，在半導體中會產生大量的帶負電荷的自由電子，這種半導體叫做「N型半導體」（也叫「電子型半導體」）；另一種雜質加到半導體中後，會產生大量帶正電荷的「空穴」，這種半導體叫「P型半導體」（也叫「空穴型半導體」）。例如，在純凈的半導體鍺中，加入微量的雜質銻，就能形成N型半導體。同樣，如果在純凈的鍺中，加入微量的雜質銦，就形成P型半導體。

一個PN結構成晶體二極體----設法把P型半導體（有大量的帶正電荷的空穴）和N型半導體（有大量的帶負電荷的自由電子）結合在一起，見圖1所示。

圖1

在P型半導體的N型半導體相結合的地方，就會形成一個特殊的薄層，這個特殊的薄層就叫「PN結」。晶體二極體實際上就是由一個PN結構成的（見圖1）。

例如，收音機中應用的晶體二極體，其觸絲（即觸針）部分相當於P型半導體，N型鍺片就是N型半導體，他們之間的接觸面就是PN結。P端（或P端引出線）叫晶體二極體的正端（也稱正極）。N端（或N端引出線）叫晶體二極體的負端（也稱負極）。

如果像圖2那樣，把正端連接電池的正極，把負端接電池的負極，這是PN結的電阻值就小到只有幾百歐姆了。因此，通過PN結的電流（I=U/R）就很大。這樣的連接方法（圖2a）叫「正向連接」。正向連接時，晶體管二極體（或PN結）兩端承受的電壓叫「正向電壓」；處在正向電壓下，二極體（或PN結）的電阻叫「正向電阻」，在正向電壓下，通過二極體（或PN結）的電流叫「正向電流」。很明顯，因為晶體二極體的正向電阻很小（幾百歐姆），在一定正向電壓下，正向電流（I=U/R）就會很大----這表明在正向電壓下，二極體（或PN結）具有像導體一樣的導電本領。

圖2a 圖2b

反過來，如果把P端接到電池的負極，N端接到電池的正極（見圖2b）。這時PN結的電阻很大（大到幾百千毆），電流（I=U/R）幾乎不能通過二極體，或者說通過的電流很微弱。這樣的連接方法叫「反向連接」。反向連接時，晶體管二極體（或PN結）兩端承受的電壓叫「反向電壓」；處在反向電壓下，二極體（或PN結）的電阻叫「反向電阻」，在反向電壓下，通過二極體（或PN結）的電流叫「反向電流」。顯然，因為晶體二極體的正向電阻很大（幾百千歐姆），在一定的反向電壓下，正向電流（I=U/R）就會很小，甚至可以忽略不計，----這表明在一定的反向電壓下，二極體（或PN結）幾乎不導電。

上敘實驗說明這樣一個結論：晶體二極體（或PN結）具有單向導電特性。

晶體二極體用字母「D」代表，在電路中常用圖3的符號表示，即表示電流（正電荷）只能順著箭頭方向流動，而不能逆著箭頭方向流動。圖3是常用的晶體二極體的外形及符號。

圖3

利用二極體的單向導電性可以用來整流（將交流電變成直流電）和檢波（從高頻或中頻電信號取出音頻信號）以及變頻（如把高頻變成固定的中頻465千周）等。

PN結的極間電容----PN結的P型和N型兩快半導體之間構成一個電容量很小的電容，叫做「極間電容」（如圖4所示）。由於電容抗隨頻率的增高而減小。所以，PN結工作於高頻時，高頻信號容易被極間電容或反饋而影響PN結的工作。但在直流或低頻下工作時，極間電容對直流和低頻的阻抗很大，故一般不會影響PN結的工作性能。PN結的面積越大，極間電容量越大，影響也約大，這就是面接觸型二極體（如整流二極體）和低頻三極體不能用於高頻工作的原因

❻ 為什麼CPU只用硅做，卻不用能耗更低的鍺來做

CPU作為計算機系統的運算和控制核心，是信息處理、程序運行的最終執行單元。CPU 自產生以來，在邏輯結構、運行效率以及功能外延上取得了巨大發展。

CPU有強大的算術運算單 元，可以在很少的時鍾周期內完成算術計算。同時，有很大的緩存可以保存很多數據在裡面。此外，還有復雜的邏輯控制單元，當程序有多個分支的時候， 通過提供分支預測的能力來降低延時。GPU是基於大的吞吐量設計，有很多的邏輯電路。

而邏輯電路對於高速元件的迫切需求，使得半導體製造工業不斷以微縮、增加密度以及時鍾速度的方式來取得更好的性能表現，但是在摩爾定律遭遇困境的當下，這種作法留給半導體技術的空間似乎已經不多。

以半導體的發展歷程來看，鍺算是最早的第一代半導體材料，目前雖然活躍在許多領域，但基本上已經離計算應用有段距離，若用來製造計算核心，其實還有許多困難需要突破。

因為其在電氣特性上的優勢，鍺有機會和最新的三五族材料共同在半導體技術發展的道路上發光發熱，其應用發展空間還很廣，以單一應用面向來評論這個材料其實並不公平。

❼ 為什麼鍺半導體最先得到應用，而現在的半導體材料卻大都採用硅半導體

原子半徑小，線路可以做很細。硅是單晶，化學性質穩定。
高壓下硅半導體版的壓降比鍺小得多權，所以電力電子都是用硅。
鍺一般用於電子電路中的單個晶體管，在電子設備的電壓等級之下，鍺的壓降更小，電阻也更小，適合做電子設備的開關管。

❽ 為什麼硅半導體會取代鍺成為工業主流原料

20世紀50年代單晶硅材料的出現，使半導體晶體管從鍺向硅發展，進一步硅集成電路的研製成功回，導致了電答子工業革命，促使微電子技術和計算機技術得到了飛速發展。

通過摻雜這種手段，終於誕生了一個偉大的發明——晶體管。通過將硅晶體上很多晶體管連接在一起，就組成了集成電路晶元，它是所有電腦、「智能」家電和其他很多設備的核心。也許不是人人知道，在半導體工業發展的初期，唱主角的並不是硅，而是另一種半導體——鍺。硅之所以能超越鍺而佔了上風，除了因為其資源極為豐富，易於獲得外，還在於它很容易形成穩定的氧化硅薄膜。這種薄膜不但可以對晶元起到很好的絕緣和保護作用，而且很容易在晶元中產生絕緣區，這是因為氧化硅具有很高的化學穩定性，可以抵抗溫度的急劇變化，使氧化膜下面的硅晶體得到很好的保護，而不會像氧化鐵那樣——鐵銹只能使鐵器的銹蝕情況更加嚴重。

❾ 選擇硅鍺作為半導體材料的原因

硅鍺在化學周期表中介於金屬元素與非金屬元素之間
都具有二者一部分性質
而半導體是單向導電性 有金屬與非金屬一部分性質