为什么要用硅材料做芯片？未来有材料能取而代之吗

2021-03-23 16:16

来源： OFweek电子工程网

为什么说硅是最适合造芯片的材料？

理论上来说，所有半导体都可以作为芯片材料，但是硅材料为什么最适合做芯片，主要原因有下：

1、按地球元素含量排行，依次为：氧＞硅＞铝＞铁＞钙＞钠＞钾……可以看到硅排在了第二位，含量巨大，这也让芯片有了几乎取之不尽用之不竭的原材料；

2、硅元素化学性质和物质性质都十分稳定，最早的晶体管其实是使用半导体材料锗来制作的，但是因为温度超过75℃时，导电率会出现较大变化，做成PN结后锗的反向漏电流比硅大，因此选取硅元素作为芯片材料更加合适；

3、硅元素提纯技术成熟，成本低，如今硅的提纯可以达到99．999999999％；

4、硅材料本身无毒无害，这也是其被选于用作芯片的制造材料的重要原因之一。

硅材料制成品主要用途

在半导体产业中，硅材料多被用于制造二极管／晶体管、集成电路、整流器、晶闸管等等，具体来看，硅材料制成的二极管／晶体管多用于通讯、雷达、广播、电视、自动控制等；集成电路多用于各种计算机、通讯、广播、自动控制、电子秒表、仪器仪表等；整流器多用于整流；晶闸管多用于整流、直流输配电、电气机车、设备自控、高频振荡器等；射线探测器多用于原子能分析、光量子检测；太阳能电池多用于太阳能发电领域。

未来有没有可以出现替代硅的芯片材料？

硅是如今应用最广泛的半导体材料，但被誉为“新材料之王”的石墨烯的出现，让很多专家预测，石墨烯很可能成为替代硅的绝佳选择，但主要还是取决于它的产业化发展情况。

石墨烯为什么会被人看好？除了其本身拥有不逊色于硅的半导体属性之外，还拥有很多硅不具备的优点。由于硅材料的加工极限被认为是10nm线宽，换句话说，制程小于10nm，硅产品也就越不稳定，对工艺的要求就越高。要想实现更高的集成度和性能，就必须采用新的半导体材料进行加工，石墨烯正好是一种不错的选择。科学家曾在常温下观察石墨烯的量子霍尔效应，这种材料碰到杂质时不会产生背散射，这说明它有很强的导电性。此外，石墨烯看上去近乎透明，其光学特性不仅十分优异，还能随石墨烯厚度的改变而改变。因此人们判断，这种特性很适合应用于光电子领域。

之所以看好石墨烯，或许还取决于它另外一个身份：碳纳米材料。碳纳米管是由石墨烯片卷成的无缝、中空的管体，导电性能极好，而且管壁很薄。理论而言，同样的集成度下碳纳米管芯片比硅芯片更小；此外，碳纳米管本身产热很少，加上有良好的导热性，能够减少能耗；从获取碳元素的成本考量，碳的分布广泛，在地球中的含量同样巨大，因此获取碳材料并不难。

当然，石墨烯目前已经被应用在屏幕、电池、可穿戴设备上，科学家对此领域的研究也有了不小的进展，但总体来看，想要石墨烯真正替代硅，成为芯片的主流材料，还需要在制造工艺以及配套器件的技术上付出更多努力。

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