為什么 CPU 只用硅做，而不用能耗更低的鍺做？

制作CPU的原料主要是沙子，額，不要驚呆，這是真滴，但是此沙子非你家建房子用的那種粗糙的沙子，這些沙子都是從專門的礦里面挖出來(lái)的，純度比我們平常見(jiàn)到的沙子高很多。這些沙子經(jīng)過(guò)數(shù)千攝氏度的的高溫和化學(xué)藥品的凈化，就變成了完全純凈的硅柱。所以可以這么說(shuō)，CPU就是在一張硅片上，刻幾百萬(wàn)個(gè)晶體二極管。但是在很早之前，晶體管一直是用鍺做的。

1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出了世界上第一只點(diǎn)接觸三極管，采用就是鍺材料，這奠定了微電子工業(yè)的基礎(chǔ)。直到20世紀(jì)50年代末、60年代初以前的十幾年間，鍺都是雙極型晶體管的主要支撐材料。下面這玩意就是世界上第一只晶體管！

此外，世界上第一個(gè)和第一個(gè)商用的雙極結(jié)型晶體管都是用鍺做的。摩托羅拉公司當(dāng)時(shí)還是一家車載收音機(jī)的制造商。摩托羅拉是當(dāng)時(shí)第一家使用晶體管來(lái)制造收音機(jī)的廠商。

摩托羅拉Chrome Nose車載收音機(jī)但是好景不長(zhǎng)，摩托羅拉收到了大量用戶投訴，說(shuō)他們發(fā)現(xiàn)摩托羅拉的車載收音機(jī)在午后的陽(yáng)光下曝曬一個(gè)下午后，就不再工作了。摩托羅拉被搞得焦頭爛額，這么弱不經(jīng)高溫的材料必須得換啊，從市場(chǎng)方面考慮，摩托羅拉公司開始考慮用硅替換鍺來(lái)制造晶體管。為什么必須要拋棄鍺使用硅呢？首先這是由鍺本身的缺陷決定的。鍺在受熱之后會(huì)變成本征態(tài)，這使得n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體都失去了它們特有的性質(zhì)，這樣雙極結(jié)型晶體管不能再工作了。鍺CPU在75℃以上就不能工作了，想想看，如果現(xiàn)在還用著鍺CPU，就用不小米手機(jī)煎雞蛋了（我什么都沒(méi)說(shuō)）。鍺材料還存在著這幾個(gè)問(wèn)題：1、鍺的地殼含量很少，據(jù)估計(jì)地殼中鍺的含量是1.8ppm（百萬(wàn)分之一），而硅的含量是277100 ppm，這導(dǎo)致了過(guò)高的制造成本；2、鍺的氧化物非常不穩(wěn)定，在400℃以上還容易發(fā)生解析反應(yīng)，所以器件制作難度大、器件穩(wěn)定性差和大的柵漏電流，所以單一的GeOx/Ge結(jié)構(gòu)難成為鍺基 MOSFET器件的理想柵介質(zhì)和隔離層；3、鍺的禁帶寬度只有0.66eV，相比于硅的1.12eV,這就導(dǎo)致鍺器件比較容易被擊穿，靜態(tài)功耗就大了；4、現(xiàn)有水平制備出的鍺襯底，達(dá)不到硅的純度和低界面態(tài)密度。由于存在以上問(wèn)題，60年代之后硅逐漸取代了鍺。這是歷史的必然，也是硅優(yōu)異的性質(zhì)決定的。硅主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。1、硅有著和鉆石一樣棒的晶體結(jié)構(gòu)，這賦予了硅極好的穩(wěn)定性和強(qiáng)度2、硅有個(gè)超棒的隊(duì)友二氧化硅（SiO2），用簡(jiǎn)單的爐式氧化法就可以得到非常高質(zhì)量的二氧化硅，而且界面態(tài)很少。啥是爐式氧化法呢？大概就和烤面包差不多，類似你把硅片放到一個(gè)充滿氧氣的烤箱里去烤一下。其實(shí)很多半導(dǎo)體工藝都能找到生活中的類比物，太陽(yáng)能電池的制造就和咱們烙煎餅果子差不多，我會(huì)亂說(shuō)？3、硅的帶隙更大，具有更好的熱穩(wěn)定性4、硅材料便宜啊，硅都是沙子提煉出來(lái)的，想想地球上有多少沙子可以用吧！硅制作的工藝雖然復(fù)雜，但是原料成本接近0。鍺在地殼中分布非常分散，成品鍺（還不是半導(dǎo)體級(jí)別）的價(jià)格就已經(jīng)超越了白銀，差不多將近2000美元一公斤。但是，CPU材料用硅替代了鍺不代表鍺就沒(méi)有用武之地了，鍺半導(dǎo)體器件用作二極管、晶體三極管及復(fù)合晶體管、鍺半導(dǎo)體光電器件作光電、霍耳及壓阻效應(yīng)的傳感器，作光電導(dǎo)效應(yīng)的放射線檢測(cè)器等，廣泛用于彩電、電腦、電話及高頻設(shè)備中，鍺管特別適用于高頻大功率器件中，且在強(qiáng)輻射與－40℃下運(yùn)轉(zhuǎn)正常；Ge－Si與Ge－Te作溫差發(fā)電用于宇航、衛(wèi)星與空間站的啟動(dòng)電源等。鍺的三接面太陽(yáng)能電池用鍺作為襯底制作的GaAs/Ge太陽(yáng)能電池，其性能與GaAs/GaAs電池接近，機(jī)械強(qiáng)度要更高，單片電池面積更大。在空間應(yīng)用環(huán)境下,抗輻射閾值比硅電池高，性能衰退小，其應(yīng)用成本接近于同樣功率的硅電池板，已應(yīng)用于各型軍用衛(wèi)星和部分商業(yè)衛(wèi)星中，逐步成為主要的空間電源。未來(lái)，隨著工藝尺寸的不斷縮小，Si材料將達(dá)到其物理極限(電子和空穴遷移率過(guò)低是硬傷)，Ge或者Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體或許是作為溝道材料的一個(gè)很好選擇?！叭旰?xùn)|三十年河西”，誰(shuí)知道鍺未來(lái)會(huì)不會(huì)又翻身呢！