與任何生產行業一樣，電子行業也在不斷發展和進步。目前，最大的趨勢之一是小型化，因為更小和更輕的組件需求逐年增長（尤其是PCB市場）。

為了實現電路的小型化、提高集成度，半導體技術也在不斷縮小尺寸。現在，除了電感和一些無源元件，大多數電子設備都可以在一個硅芯片上制造。

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

材料

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

單晶半導體的例子：

硅（Si）

鍺（Ge）

化合物半導體的例子：

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，固態器件是用鍺制造的，但鍺有一個缺點：溫度敏感性強。隨著制造技術的改進，由于硅的熱穩定性和可用性，硅的使用逐漸流行起來。

隨著電子技術從開關和控制向計算和通信的發展，對高速設備的需求也隨之增加。因此，砷化鎵被認為是理想的材料，因為它提供了比硅快5倍的晶體管速率。

然而硅仍然是使用最廣泛的半導體材料，砷化鍺只用于高速、非常大規模的集成電路（VLSI）設計。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鍵而提供了晶體結構。

這些共價鍵是通過與相鄰原子共享價電子（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方向。

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

這些固有半導體材料的有趣之處在于，通過在晶格結構中加入雜質原子，可以很容易地改變和控制它們的導電性和電性能。例如，每1000萬個原子中加入一個雜質原子就可以顯著地改變其導電性。

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

不管它們的價電子有多少，值得注意的是，由于共價鍵，硅、鍺和砷化鎵都具有結晶結構。

現在，當一種五價雜質，如砷、磷或銻被添加到固有半導體中，它就變成了一種n型外部物質。五價原子給晶體一個額外的電子，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雜質，如鎵、硼或銦來產生的。在新的晶體結構中，三價雜質有一個不足的電子來完全形成共價鍵。這個空位就像一個正電荷，叫做空穴。

當外加電場作用于n型或p型材料時，作為自由載流子的電子和空穴受到電場方向的驅動，從而產生電流的傳導。

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

固態電子器件由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傳導電流的結；在一個晶體管中，兩個p型和一個n型，或者一個p型和兩個n型夾在一起，在它們之間形成兩個結——電流在其中傳導。

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

另一個重要因素是固有載流子的相對遷移率，因為自由載流子通過材料的能力是由它決定的。根據定義，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，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速度。

半導體材料的電學性質取決于自由載流子的數量和它們的相對遷移率。此外，半導體材料的熱行為和光學行為很大程度上取決于它們的價帶和導帶之間的間隙。

半導體電阻的溫度系數為負，導體電阻的溫度系數為正。禁帶越小，材料的熱穩定性越低。

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

鍺的熱穩定性不是很好，因為它的帶隙較小。這就是為什么它通常被選用于熱和光敏感設備。

帶隙越大，這種材料的熱穩定性越高——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，砷化鎵常被用于發光二極管的設計中。

熱穩定的材料也更適合于計算和通信應用。

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步，因此與其他半導體材料相比，獲得具有極高純度的本征硅是可能的。

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

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

砷化鎵作為VLSI和ULSI設計的替代品，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/

責任編輯：haq