CPU為何只用矽做,而不用能耗更低的鍺?

2020-12-19 EDN電子設計技術

CPU就是在一張矽片上，刻幾百萬個晶體二極體。4oPednc

製成二極體，矽的開啟電壓（死區電壓）需要0.5V，鍺的開啟電壓只需0.1V。也就是鍺CPU只需零點幾的電壓就能運行，比現在的1V低多了，也算CPU的革命吧。4oPednc

電壓更低，意味發熱量更少，集成度和頻率可以更高。4oPednc

即便開發鍺CPU有困難，也比腦動大開的 量子CPU， 光子CPU， DNA CPU靠譜吧？4oPednc

矽用來做CPU，是因為它的優點太多，而缺點都是可克服的。鍺雖然也有優點（比如開啟電壓、載流子遷移率），但它的幾個缺點是很難克服的。4oPednc

首先是價格。矽直接拿沙子就能制，雖然工藝複雜吧但是原料成本接近0.鍺在地殼中分布非常分散，成品鍺（還不是半導體級別）的價格就已經超越了白銀，印象中將近2000美元一公斤。4oPednc

其次很大一個問題就是鍺的氧化物不穩定，不好用。二氧化矽是緻密的絕緣體，力學電學化學性質都很穩定，不溶於水；氧化鍺沒那麼緻密，還是溶於水的。這一條基本就宣告了CPU無望。4oPednc

還有鍺器件在稍高的溫度下表現不良的問題，以及鍺本身比矽重，又比矽軟，更容易碎；等等。而且現在整個半導體行業都以矽為基礎，沒人會開發鍺的CPU。4oPednc

目前鍺的前途很大程度上在光電學方面，太陽能電池，光傳感器，紅外LED，鍺雷射器（這個已經被MIT做出來了，但不是大家想像中的雷射筆那樣子），等等。因為矽做雷射完全不可能，鍺又能比較容易地在矽上生長出來，因此大家的理想是將用鍺做成的光學器件與矽做成的電子器件整合在一張矽片上。那就牛逼了。4oPednc

我們組是目前世界上唯一一個用Ge3H8和Ge4H10生長鍺的研究組。目前我們在矽上面長鍺已經能長得很好了，長出來的鍺膜可以用來做襯底生長其他的半導體材料。我手頭正在進行的一個課題是鍺的in-situ doping, 已經出了兩篇文章，還在繼續努力中。。。4oPednc

再說一句，近三五年來鍺基半導體方面進展很大，但是不少同行還沒完全了解這些進展。如果看以前的書本上講的一些關於生長鍺的局限，現在很多都已經被攻克了。以前人們說在矽上沒辦法直接長鍺，還有得用高溫，或者需要幾個GeSi的buffer，十年前確實是這樣。但現在我在三百多度的溫度下直接在矽片上生長鍺，出來的膜質量很不錯。4oPednc

1948年，世界上第一個點接觸電晶體是用鍺做噠~就是這個樣子4oPednc


世界上第一個電晶體 (1948)4oPednc

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在遙遠的上古時代（1950~），那時候集成電路還沒有發明，電晶體的分立器件就已經慢慢由鍺變成了矽。這是為什麼呢？
世界上第一個和第一個商用的雙極結型電晶體都是用鍺做的。摩託羅拉公司當時還是一家車載收音機的製造商。摩託羅拉是當時第一家使用電晶體來製造收音機的廠商。但是好景不長，摩託羅拉收到了大量用戶投訴，說他們發現摩託羅拉的車載收音機在午後的陽光下曝曬一個下午後，就不再工作了。摩託羅拉被搞得焦頭爛額，這從市場層面給了摩託羅拉公司很強的動力用矽替換鍺來製造電晶體。4oPednc

為啥會這樣呢？因為鍺在受熱之後會變成本徵態，這使得n型半導體和p型半導體都失去了他們特有的性質，那結果呢就是雙極結型電晶體不能再工作了。而矽可以經受更高溫度的考驗。4oPednc

矽取代鍺其實是歷史的必然，讓我們來看看矽棒棒的性質吧：4oPednc

有著和鑽石一樣棒的晶體結構，這賦予了矽極好的穩定性和強度4oPednc

超棒的隊友二氧化矽（SiO2），用簡單的爐式氧化法就可以得到非常高質量的二氧化矽，而且界面態很少(~)。啥是爐式氧化法呢？大概就和烤麵包差不多，類似你把矽片放到一個充滿氧氣的烤箱裡去烤一下。其實很多半導體工藝都能找到生活中的類比物，太陽能電池的製造就和咱們烙煎餅果子差不多，我會亂說？4oPednc

矽的帶隙更大，具有更好的熱穩定性4oPednc

矽材料便宜啊，矽都是沙子提煉出來的，想想地球上有多少沙子可以用吧！4oPednc

還有一點非常重要！鍺CPU 75度以上就不能工作了，那還讓我們怎麼用小米手機煎雞蛋呢，對吧？4oPednc

（本文由硬體十萬個為什麼整理）4oPednc

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