为什么硅仍然主导着集成电路产业？

由于材料内部的电子在威廉希尔官方网站 上是“自由的”，它们可以通过外部电场或电压的作用指向一个特定的方向。
为了保证理想的电学和物理性能，半导体材料通常被提炼到它们最纯粹的形式ーー因此，它们被标记为固有材料。威廉希尔官方网站 使得在一个精致的内禀晶体中，在100亿个原子中只能获得一个杂质原子。
这些本征半导体材料的有趣之处在于，通过在晶格结构中添加杂质原子，它们的导电性和电性能可以很容易地改变和控制。例如，每1000万个原子中加入一个杂质原子，就可以极大地改变其导电性。
这个过程称为掺杂，之后，半导体材料称为非本征材料。外源材料有两种类型: n 型和 p 型。硅和锗都是四价的，这意味着它们的原子价为四价。对于砷化镓，镓是三价的，而砷化物是五价的。
不管它们的价电子数量如何，值得注意的是硅、锗和砷化镓都是由于共价键结合而形成的晶体结构。
现在，当一个五价杂质，如砷，磷，或锑加入到本征半导体中，它就变成了一个 n 型外来物质。五价原子给晶体一个额外的电子，作为自由电荷的载体。
具有五个价电子的扩散杂质称为施主原子。杂质原子的扩散并没有改变材料的整体电荷，因为电子的数目与原子核中的正电荷相同。相反，杂质原子在价和导带之间产生另一个离散的能带。这就是所谓的捐赠水平。
如果在1000万个原子中加入一个杂质原子(最初100亿个原子中只有一个杂质原子) ，自由电荷载流子的浓度就会发生1000倍的变化。
类似地，p 型材料是通过在固有材料中添加三价杂质，如镓、硼或铟来制备的。在新的晶体结构中，三价杂质只有一个电子不足以完全完成共价键合。这个空位充当正电荷，称为空穴。P 型非本征材料中的自由电子会不断地填充一个或另一个空穴，总是留下一个空穴。
当外加电场作用于 n 型或 p 型材料时，作为自由电荷载流子的电子和空穴受电场方向的驱动，导致电流的传导。
这种电流是电子和空穴运动的结果。在 n 型材料中，电子是多数带电的载流子，空穴是少数带电的载流子。在 p 型材料中，它是反过来的。空穴是带多数电荷的载流子，而电子是带少数电荷的载流子。
固态电子器件是由 p 型和 n 型材料构成的。就像二极管一样，一个 n 型和一个 p 型材料被三明治形成一个结，在两个端子之间传导电流。在晶体管中，两个 p 型和一个 n 型或一个 p 型和两个 n 型三明治形成两个结，电流流过三个端子的传导。
这与所有其他固态设备的制造方法相似。
材料
比较如前所述，硅、锗和砷化镓是目前制造集成电路最广泛使用的本征半导体。
本征材料中的自由电子称为本征载流子，对于这些材料如下(每立方厘米) :

• Silicon: 1.5*1010
  

• Germanium:2.5*1013
  

• Gallium arsenide:1.7*106
  

另一个重要因素是内禀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内禀载流子迁移率决定的。根据定义，相对迁移率是电场作用下载流子的平均速度。它的单位是米每秒除以伏特每米。
这些材料的相对流动性如下:

• Silicon: 1500 cm2/Vs
  

• Germanium: 3900 cm2/Vs
  

• Gallium arsenide: 8500 cm2/Vs
  

你会注意到，砷化镓的固有载波数量最少，但相对移动性最高，这就是为什么用砷化镓制造的设备具有最高的响应速度。
半导体材料的电学性质取决于自由载流子的数目和它们的相对迁移率。此外，半导体材料的热学和光学行为在很大程度上取决于它们的价带和导带之间的间隙。
半导体的电阻为负温度系数，而导体的电阻为正温度系数。带隙越小，材料的热稳定性越差。
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
  

锗由于带隙较小，热稳定性较差。这就是为什么它通常被选用于热和光敏感器件。
带隙越大，材料的热稳定性越好ーー这意味着它也更有可能以光的形式而不是热的形式发射能量。因此，砷化镓经常用于发光二极管的设计。
热稳定材料也更适合于计算和通信应用。
硅晶片
仍然是集成电路制造中最常用的材料。这主要有三个原因。
1.硅含量丰富，而且很容易获得。更重要的是，硅的精炼工艺在过去的几十年里已经有了很大的改进，所以与其他半导体材料相比，获得纯度极高的本征硅是可能的。
2.现代电子应用是基于计算和通信，而不是开关和控制。这些应用要求电路具有热稳定性，这意味着硅(带隙为1.14 eV)是理想的匹配，特别是与其他化合物半导体相比。
3.硅有一段历史。第一个硅晶体管是在1954年设计的，所以芯片设计师对它很熟悉，多年来设计出了高效的芯片设计和硅网络。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。
最终，砷化镓可能完全取代硅，目前作为 VLSI 和 ULSI 设计的替代品。砷化镓的速度是硅电路的五倍，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。
随着威廉希尔官方网站 和网络设计的不断发展，这一点尤其正确。如果说过去是未来的象征，那么这只是时间问题。