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泛芯历史:硅锗之争

发表时间:2019-11-21 13:01:00  来源:野望文存  浏览:次   【】【】【

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2019年是集成电路发明的第61个年头。如今方便互联的世界,得益于1958年9月12日集成电路的诞生。当时,德州仪器的工程师杰克·基尔比(Jack Kilby)用半导体材料锗制成了世界上第一块集成电路。然而,如今大部分的芯片则都是由另一种半导体材料——硅所制成的。为什么硅取代了锗在集成电路生产领域的宝座?现在,锗这种材料又被应用在哪些领域呢?今天,就让我们为大家讲讲硅锗之争的故事。



Ge

元老级集成电路的原料



二战期间,锗这种材料的价值被人们逐渐发现并认可。作为一种半导体材料,锗的熔点低,方便科学家和工程师们在实验室内用它来进行各种试验。在当时,锗被用来制造高精度的雷达接收机,而世界上第一个晶体管也是于1947年在贝尔电话实验室(BLT)使用锗制造而成的。


然而,熔点低却是一把双刃剑,它虽然给科学研究提供了便利,但也给锗的商用价值带来了不小的麻烦。因为在受热后,锗作为半导体的性质很容易遭到破坏。当时,大量的用户向商家投诉他们购买的以锗为原料的汽车收音机,仅仅暴露在阳光中一个下午,便无法再使用了。



Si

工程师们的新宠



与锗相反,硅的高熔点带来了生产工艺控制中的种种困难,从而限制了它在早期半导体设备中的使用。然而,贝尔实验室却高瞻远瞩地看到了硅的价值:他们认为,作为地壳中含量第二高的元素,硅是未来的材料,一旦找到能够有效控制制造工艺的解决方案,它的价格会比锗低很多,因此他们把大部分研究经费投入到以硅为原料的器件上。


贝尔实验室是正确的!尽管50年代整个半导体行业都在埋头生产锗晶体管,但在1960年贝尔实验室开发出表面稳定的硅晶体管之后,人们瞬间便把目光从锗转移到了硅身上。这项研究在业界获得了广泛好评,也标志着硅代替锗成为了商用领域最具主导性的半导体材料。



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更多可供选择的半导体材料



如今,半导体行业的发展已离不开硅。2018年,硅晶圆的出货量创下历史新高,达到了120亿平方英寸,相比前一年提高8%。此外,其年度销售额也首次突破100亿美元大关,达到113.8亿美元,相比前一年增长了31%。


而另一方面,锗也在其它半导体领域大放异彩。根据美国地质勘探局的数据,大约95%的锗被用于红外光学设备、光纤光学设备以及太阳能电池板的电子元件及储能单元。


与此同时,用于半导体生产的全新材料也逐渐进入工程师和科研工作者的视野。例如:高能量的III-V(氮化镓)族材料可用作电网系统的主干,实现高低电压传输之间的转换。石墨烯等新型材料也正在评估中。


责任编辑:蔡学森