毫无疑问，半导体工业中最常用的材料是硅（Si）。它是几乎所有现代集成电路的基础元素，从我们计算机和智能手机中复杂的处理器到存储我们数据的存储芯片。过去60年的整个数字革命，可以说，都是建立在这个单一元素之上的。
虽然其他材料在特定领域提供了卓越的性能，但硅的“足够好”的电子特性、极高的丰度以及形成完美、稳定绝缘体的能力相结合，使其成为大规模生产电子产品无可匹敌且最具成本效益的选择。
为什么硅主导着这个行业
要理解现代世界，就必须理解为什么硅成为电子产品的基石。它的主导地位并非偶然；它源于物理学、化学和经济学的融合，这种融合是其他任何材料在全球范围内都无法比拟的。
“金发姑娘”半导体
硅是一种半导体，这意味着它的导电性介于导体（如铜）和绝缘体（如玻璃）之间。这种中间状态至关重要。
它的带隙——将电子激发到导电状态所需的能量——约为1.1电子伏特（eV）。这个值处于一个“恰到好处”的区域，使其在室温下稳定，但又足够容易通过称为掺杂（即有意添加杂质）的过程进行控制。
二氧化硅（SiO₂）的奇迹
这可以说是硅占据主导地位的最重要原因。当暴露在氧气中时，硅会形成一层薄而均匀且极其稳定的二氧化硅（SiO₂）层，这是一种优良的电绝缘体。
这种天然氧化层是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的核心，MOSFET是所有数字芯片的基本组成单元——微型开关。没有其他半导体材料能如此轻易地形成如此高质量、可靠的绝缘层，这使得在单个芯片上制造数十亿个晶体管成为可能。
丰富性和成本效益
硅是地壳中第二丰富的元素，以沙子和石英的形式随处可见。这使得原材料极其廉价。
虽然将沙子提炼成用于制造的超纯单晶硅晶圆是一个复杂的过程，但该行业巨大的规模使其具有显著的成本效益。数十年的投资围绕硅建立了一个无与伦比的复杂和高效的制造生态系统。
理解权衡：当硅不够用时
尽管硅占据主导地位，但它并非适用于所有应用的完美材料。对于需要更高速度、功率或发光的特殊任务，工程师会转向其他材料。
对速度的需求：化合物半导体
像砷化镓（GaAs）这样的材料比硅具有显著更高的电子迁移率。这意味着电子在其中移动得更快，使得晶体管能够以极高的频率进行开关。
这一特性使得砷化镓对于射频（RF）应用至关重要，例如手机中的功率放大器和高速通信系统，在这些应用中硅会太慢。
发光和处理功率
硅具有“间接”带隙，这使得它在将电能转换为光能方面效率极低。对于LED和激光器等应用，需要具有“直接”带隙的材料，例如氮化镓（GaN）。
此外，对于高功率和高温电子产品，像氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）这样的宽带隙半导体正在迅速取代硅。它们处理更高电压和温度且能量损失更少的能力对于电源转换器、电动汽车逆变器和未来电网至关重要。
制造障碍
尽管这些化合物半导体提供了卓越的性能，但它们的生产比硅更困难、更昂贵。它们通常需要复杂的晶体生长方法，并且不像硅那样受益于完美的天然氧化物。这限制了它们的使用范围，仅限于那些其特定优势能够证明更高成本的应用。
为您的目标做出正确选择
半导体材料的选择始终由应用的特定性能要求和经济限制驱动。
- 如果您的主要关注点是经济高效、大规模的数字逻辑（CPU、GPU、存储器）：硅因其成熟的生态系统和完美平衡的特性，将仍然是无可争议的选择。
- 如果您的主要关注点是高频射频或光学设备（LED、5G硬件）：砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）等化合物半导体因其卓越的速度和发光能力而必不可少。
- 如果您的主要关注点是高功率、高温电子产品（电动汽车充电器、太阳能逆变器）：碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽带隙半导体是更优的选择，它们提供的效率和耐久性超越了硅的极限。
理解这些材料的区别揭示了为什么我们的数字世界建立在沙子的基础上，却又依赖更奇特的材料来突破性能的极限。
总结表：
| 材料 | 关键特性 | 主要应用 |
|---|---|---|
| 硅 (Si) | 优良的天然氧化物 (SiO₂)，成本效益高 | CPU、存储器、数字逻辑芯片 |
| 砷化镓 (GaAs) | 高电子迁移率，高速 | 射频放大器、高速通信 |
| 氮化镓 (GaN) | 宽带隙，高功率/温度 | 电力电子、LED、电动汽车充电器 |
| 碳化硅 (SiC) | 宽带隙，高导热性 | 高功率系统、太阳能逆变器 |
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