與任何生產(chǎn)行業(yè)一樣，電子行業(yè)也在不斷發(fā)展和進(jìn)步。目前，最大的趨勢之一是小型化，因?yàn)楦『透p的組件需求逐年增長（尤其是PCB市場）。

為了實(shí)現(xiàn)電路的小型化、提高集成度，半導(dǎo)體技術(shù)也在不斷縮小尺寸。現(xiàn)在，除了電感和一些無源元件，大多數(shù)電子設(shè)備都可以在一個(gè)硅芯片上制造。

在集成電路（IC）制造領(lǐng)域，硅盡管不是唯一的材料，但卻是最常見的半導(dǎo)體材料。下面讓我們來調(diào)查一下在IC制造中使用的不同半導(dǎo)體材料，并調(diào)查一下為什么硅仍然在半導(dǎo)體行業(yè)占主導(dǎo)地位。

材料

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（10-7 ~ 10-13 mho/m）介于良導(dǎo)體（》 10-7 mho/m）和絕緣體（《 10-13 mho/m）之間。半導(dǎo)體材料要么是單晶，要么是化合物。

單晶半導(dǎo)體的例子：

硅（Si）

鍺（Ge）

化合物半導(dǎo)體的例子：

砷化鎵（GaAs）

氮化鎵（GaN）

磷化砷化鎵（GaAsP）

硫化鎘（CdS）

鉛硫化物（PbS）

碳化硅（SiC）

最初，固態(tài)器件是用鍺制造的，但鍺有一個(gè)缺點(diǎn)：溫度敏感性強(qiáng)。隨著制造技術(shù)的改進(jìn)，由于硅的熱穩(wěn)定性和可用性，硅的使用逐漸流行起來。

隨著電子技術(shù)從開關(guān)和控制向計(jì)算和通信的發(fā)展，對高速設(shè)備的需求也隨之增加。因此，砷化鎵被認(rèn)為是理想的材料，因?yàn)樗峁┝吮裙杩?倍的晶體管速率。

然而硅仍然是使用最廣泛的半導(dǎo)體材料，砷化鍺只用于高速、非常大規(guī)模的集成電路（VLSI）設(shè)計(jì)。鍺也只用于某些特定用途。

硅、鍺和砷化鎵是目前最常用的半導(dǎo)體材料。其他的材料雖然也可以使用，但只會用于特定場景。

集成電路制造

半導(dǎo)體材料用于制造電子集成電路是有原因的。首先，這些材料（包括硅、鍺和鎵）由于原子之間的共價(jià)鍵而提供了晶體結(jié)構(gòu)。

這些共價(jià)鍵是通過與相鄰原子共享價(jià)電子（即最外層的電子）而形成的。由于周圍有充足的光和熱，許多電子獲得了足夠的動能，在材料中自由移動。

由于材料中的電子是“自由的”，它們可以在外部電場或電壓的作用下指向某個(gè)方向。

為了保證理想的電氣和物理性能，半導(dǎo)體材料通常被提煉到它們最純凈的形式，因此，它們被標(biāo)記為固有材料。技術(shù)的發(fā)展可以保證在一個(gè)精制的固有晶體中，只會存在100億分之一的雜質(zhì)原子。

這些固有半導(dǎo)體材料的有趣之處在于，通過在晶格結(jié)構(gòu)中加入雜質(zhì)原子，可以很容易地改變和控制它們的導(dǎo)電性和電性能。例如，每1000萬個(gè)原子中加入一個(gè)雜質(zhì)原子就可以顯著地改變其導(dǎo)電性。

這一過程被稱為摻雜，摻雜后的半導(dǎo)體材料被稱為外部材料，外部材料有n型和p型兩種。硅和鍺都是四價(jià)的；對于砷化鎵，鎵是三價(jià)的，砷化鎵是五價(jià)的。

不管它們的價(jià)電子有多少，值得注意的是，由于共價(jià)鍵，硅、鍺和砷化鎵都具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在，當(dāng)一種五價(jià)雜質(zhì)，如砷、磷或銻被添加到固有半導(dǎo)體中，它就變成了一種n型外部物質(zhì)。五價(jià)原子給晶體一個(gè)額外的電子，作為自由載流子。

類似地，p型材料是通過向固有材料中添加三價(jià)雜質(zhì)，如鎵、硼或銦來產(chǎn)生的。在新的晶體結(jié)構(gòu)中，三價(jià)雜質(zhì)有一個(gè)不足的電子來完全形成共價(jià)鍵。這個(gè)空位就像一個(gè)正電荷，叫做空穴。

當(dāng)外加電場作用于n型或p型材料時(shí)，作為自由載流子的電子和空穴受到電場方向的驅(qū)動，從而產(chǎn)生電流的傳導(dǎo)。

這種電流是電子和空穴運(yùn)動的結(jié)果。在n型材料中，電子是多數(shù)荷電載流子，空穴是少數(shù)荷電載流子；在p型材料中是相反的，空穴是多數(shù)荷電載流子，而電子是少數(shù)荷電載流子。

固態(tài)電子器件由p型和n型材料組成。就像在二極管中一樣，n型和p型的材料像三明治一樣形成一個(gè)傳導(dǎo)電流的結(jié)；在一個(gè)晶體管中，兩個(gè)p型和一個(gè)n型，或者一個(gè)p型和兩個(gè)n型夾在一起，在它們之間形成兩個(gè)結(jié)——電流在其中傳導(dǎo)。

材料性能對比

如前所述，硅、鍺和砷化鎵是目前制造集成電路中使用最廣泛的固有半導(dǎo)體。

本征材料中的自由電子稱為本征載流子，以下為本征材料的載流子（每立方厘米）：

硅：1.5 * 1010

鍺：2.5 * 1013

砷化鎵：1.7 * 106

另一個(gè)重要因素是固有載流子的相對遷移率，因?yàn)樽杂奢d流子通過材料的能力是由它決定的。根據(jù)定義，相對遷移率是載流子在電場作用下的平均速度。單位是米/秒除以伏特/米。

這些材料的相對遷移率如下：

硅：1500 cm2 / Vs

鍺：3900 cm2 / Vs

砷化鎵：8500 cm2/Vs

可以看到砷化鎵具有最少的固有載流子數(shù)，但相對遷移率最高，這就是為什么用砷化鎵制造的器件提供了最高的響應(yīng)速度。

半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)取決于自由載流子的數(shù)量和它們的相對遷移率。此外，半導(dǎo)體材料的熱行為和光學(xué)行為很大程度上取決于它們的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的間隙。

半導(dǎo)體電阻的溫度系數(shù)為負(fù)，導(dǎo)體電阻的溫度系數(shù)為正。禁帶越小，材料的熱穩(wěn)定性越低。

帶隙以電子伏為單位測量如下：

硅：1.14 eV

鍺：0.67 eV

砷化鎵：1.43 eV

鍺的熱穩(wěn)定性不是很好，因?yàn)樗膸遁^小。這就是為什么它通常被選用于熱和光敏感設(shè)備。

帶隙越大，這種材料的熱穩(wěn)定性越高——這意味著它也更有可能以光的形式釋放能量，而不是熱。因此，砷化鎵常被用于發(fā)光二極管的設(shè)計(jì)中。

熱穩(wěn)定的材料也更適合于計(jì)算和通信應(yīng)用。

為什么選擇硅

硅片仍然是集成電路制造中最常用的材料。這有三個(gè)主要原因：

硅儲量豐富，很容易獲得。更重要的是，硅的精煉過程在過去的幾十年里有了巨大的進(jìn)步，因此與其他半導(dǎo)體材料相比，獲得具有極高純度的本征硅是可能的。

現(xiàn)代電子應(yīng)用是基于計(jì)算和通信，而不是交換和控制。這些應(yīng)用要求電路具有熱穩(wěn)定性，與其他化合物半導(dǎo)體相比硅（帶隙為1.14 eV）是最理想的。

硅的使用歷史最久。第一個(gè)硅晶體管設(shè)計(jì)于1954年，因此芯片設(shè)計(jì)師對它很熟悉，并且多年來設(shè)計(jì)出了高效的芯片設(shè)計(jì)和硅系統(tǒng)；這也是為什么與其他半導(dǎo)體材料相比，在硅襯底上設(shè)計(jì)集成電路更具成本效益的原因。

砷化鎵作為VLSI和ULSI設(shè)計(jì)的替代品，最終可能完全取代硅。砷化鎵電路的速度是硅電路的5倍，因此隨著對高速電路需求的增加，它可能會變得更有吸引力。

原文鏈接：

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

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