半导体芯片为什么一定要用硅为什么硅可以做半导体材料 _小知识

生活在现代社会，没有谁能离得开半导体芯片。
半导体芯片真的是上得了厅堂，超级计算机离不开它；也下得了厨房，电饭煲、冰箱里也有它。社会越发展，对半导体芯片的胃口越大，我们国家不仅是石油进口大国，还是芯片进口大国，而且每年进口芯片花的钱超过了石油。
由于芯片太常见了，所以大家往往对它熟视无睹，以为用硅做芯片是理所当然的事。实际上，在半导体材料的大家庭中，除了硅，还有锗、砷化镓、磷化镓，以及铜、铁、锰等金属的氧化物，它们都可以用作半导体，理论上都可以用来制作芯片。
锗，曾经的明星在半导体芯片发展的早期，硅只能当配角，锗才是真正的明星：

第一个晶体管是锗晶体管；
第一个集成电路（芯片）是锗芯片；
有一段时间，晶体管市场的主流是锗，硅晶体管销量不及它的零头。

硅是如何打败锗成功上位的呢？

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锗金属
在故事开始前，有必要厘清晶体管和半导体芯片的关系。
晶体管有二极管和三极管两种，是半导体芯片的基础零件，晶体管数量的多少是衡量芯片集成度的一个重要指标，也是一个性能指标，晶体管越多，芯片性能越强大，用于最新iPad Pro的A12X集成了100亿个晶体管，而世界上第一个可以运行的CPU芯片包含的晶体管数量只有2250个，是英特尔1971年1月推出的4004，售价200美元。两款芯片的性能差距大家自行心算。
但芯片内不止有晶体管，内部还包含了电感、电容、电阻、布线，它们组成特定功能的电路，并有我们熟悉的名字：CPU（微处理器）、GPU（图像处理器）、NPU（人工智能处理器）、内存等等。
说过晶体管和半导体芯片的关系，接着说硅的上位史。
锗晶体管与诺贝尔奖二战爆发前的某一天，美国电报电话公司下属的贝尔实验室的两名科学家：沃尔特.布拉顿和约翰.巴丁闲来无事参加了一场讲座。讲座上展示了一小块平板硅玻璃，大家都知道它是一种绝缘体，所以玻璃两端被接上导线并通上电流后，演示用的灯泡没有亮，感觉平淡无奇。但转折来了，演示者接着将导线移到平板的中心，这里被添加了磷等杂质，结果让布拉顿和巴丁几乎跳起来：灯泡亮了，绝缘体硅玻璃变成了导体！
两位科学家仿佛看到一扇奇特的大门在徐徐打开，回去后立即向实验室打报告要求研究这种新的材料。
贝尔实验室让另一名科学家威廉.肖克利和巴丁、布拉顿组成半导体研究小组，三人在1947年研制出了晶体管。

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晶体管由肖克利（中）、巴丁和布拉顿集体发明

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世界上第一个晶体管，图中金属箭头下黄圈处的金属片就是锗金属
这是世界上第一个晶体管，样子非常简陋粗糙：一个小小的金属箭头，插在一块平板锗上。虽然丑丑的，但它能工作，而且一出生就是一副要把真空管送进坟墓的样子：速度比真空管更快，体积比真空管更小，耗电和发热也更少。
因为发明晶体管，肖克利、布拉顿和巴丁分享了1956年诺贝尔物理学奖。
科学大师创业失败晶体管发明的故事并不是大团圆结局，肖克利不久就离开了贝尔实验室。辞职的原因据说是，肖克利不满意贝尔实验室将发明晶体管的主要功劳放到布拉顿和巴丁头上。真正的原因，其实是肖克利看到了晶体管未来的巨大商业价值，科学大师想要名利双收，于是出走贝尔实验室，创业生产硅晶体管。
肖克利参与发明的不是锗晶体管么，为什么创业却选择做自己毫无经验的硅晶体管？而且，当时贝尔实验室对外授权晶体管专利后，各晶体管生产商都是生产锗晶体管。肖克利逆潮流而动做硅晶体管简直给人匪夷所思的感觉。

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威廉.肖克利在诺贝尔奖庆功会上，右三坐着端酒杯者为肖克利
必须承认，肖克利在贝尔实验室是出了名的脾气臭、为人傲慢，眼光却非常锐利，他认为硅终将代替锗成为晶体管的未来。理由很简单，硅是地壳中第二丰富的元素，占地壳总质量的26.4%，而锗是一种稀有元素，在地壳中的含量仅为一百万分之七，锗矿分布还非常分散。由于锗非常稀少，也是人类较晚发现的元素，1885年才被德国化学家文克勒发现。

半导体芯片为什么一定要用硅 为什么硅可以做半导体材料

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