毫无疑问，制造半导体的最首选和占主导地位的材料是硅 (Si)。半个多世纪以来，从您计算机中的复杂处理器到家用电器中的简单芯片，硅一直是绝大多数集成电路的基础元件。它的主导地位并非偶然，而是电气特性、材料丰度和制造兼容性近乎完美结合的结果。
硅至高无上的核心原因不仅仅是其半导体特性；而是它能够生长出稳定、高质量的绝缘层二氧化硅 (SiO₂) 的独特能力，这是现代晶体管制造中不可或缺的特性。
为什么硅主导着这个行业
硅作为行业标准的地位建立在几个关键支柱之上，这些支柱是其他任何材料都无法大规模匹敌的。
无与伦比的丰度和成本效益
硅是地壳中储量第二丰富的元素，仅次于氧气。
它主要来源于常见的沙子（其中大部分是二氧化硅），这使得原材料极其便宜且易于获取。这种基本的成本优势是其广泛应用的主要驱动力。
二氧化硅 (SiO₂) 的关键作用
这是硅最重要的一个优势。当暴露在高温氧气中时，硅会自然生长出均匀、稳定且电绝缘的二氧化硅 (SiO₂) 层，也称为玻璃。
这种天然氧化物是构建所有现代数字电子设备的基本构件——MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）栅极结构所需的完美绝缘体。没有其他半导体能如此轻易地形成如此高质量的天然氧化物绝缘体。
优异的热稳定性
在制造过程（掺杂、沉积和退火）所需的高温下，硅能够保持其半导体特性和物理结构。
这种热鲁棒性使得大规模制造能够保持一致、可靠和高产率。
成熟且不可战胜的生态系统
数十年的研发投入和数万亿美元的投资，已经创造了一个专门为硅优化的制造生态系统。
工具、工艺和集体的工程知识都集中在硅晶圆上，为任何潜在的竞争材料设置了巨大的进入壁垒。
小众替代品：化合物半导体
虽然硅是超过 95% 应用的主力军，但某些高性能领域需要具有不同特性的材料。这些通常是由两种或多种元素构成的“化合物半导体”。
砷化镓 (GaAs) 的案例
砷化镓的电子迁移率明显高于硅，这意味着电子可以在其中移动得快得多。
这种特性使 GaAs 成为高频应用的理想选择，例如蜂窝电话中的射频 (RF) 放大器、雷达系统和卫星通信，在这些应用中速度至关重要。它还具有“直接带隙”，使其能够高效地将电能转换为光能，用于 LED 和激光器。
宽禁带材料（GaN 和 SiC）的崛起
像氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 这样的材料可以承受比硅高得多的电压和温度。
这使得它们对于高功率电子设备至关重要，例如电动汽车的功率逆变器、数据中心的节能电源以及下一代快速充电器。
理解权衡
选择半导体材料总是在性能与实际限制之间进行权衡。
为什么硅不总是答案
硅的电子迁移率限制了其在极高射频下的性能。其“间接带隙”也使其在发光方面效率极低，这就是它不用于 LED 或激光器的原因。对于高功率应用，它在较低的电压和温度下就会失效，不如 GaN 或 SiC。
替代品的成本高昂和复杂性
化合物半导体的首要缺点是成本和制造难度。原材料比硅稀有得多，将它们加工成无缺陷的单晶是一个复杂且昂贵的过程。
这种复杂性导致晶圆尺寸更小和制造良率更低，因此这些材料仅用于其特定性能优势能够证明其显著额外成本的应用。
为您的目标做出正确的选择
半导体材料的选择完全取决于最终应用的性能要求和成本限制。
- 如果您的主要关注点是通用计算和成本效益： 鉴于其成熟的生态系统和出色的全能特性，硅是唯一合乎逻辑且无可争议的选择。
- 如果您的主要关注点是高频射频 (RF) 或光学器件 (LED)： 由于其高电子迁移率和高效的发光特性，砷化镓 (GaAs) 通常是更优越的材料。
- 如果您的主要关注点是高功率、高压应用： 氮化镓 (GaN) 或碳化硅 (SiC) 等宽禁带材料因其热稳定性和电气鲁棒性而必不可少。
最终，了解这些基本的材料特性是理解为什么我们的数字世界建立在硅的基础上，并且将继续建立在硅的基础上。
摘要表：
| 材料 | 主要应用 | 关键优势 | 主要缺点 |
|---|---|---|---|
| 硅 (Si) | 通用计算、微芯片 | 储量丰富、成本低、稳定的 SiO₂ 绝缘体 | 高频/高功率性能受限 |
| 砷化镓 (GaAs) | 高频射频、LED | 高电子迁移率、直接带隙 | 成本高、制造复杂 |
| 氮化镓 (GaN) / 碳化硅 (SiC) | 高功率电子设备 | 高电压/高温耐受性 | 成本极高、制造复杂 |
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