03.02 為什麼電腦CPU要用硅作為材料而不用其他的呢?

漫雨王者迷


這是一個有趣的問題,為什麼我們如今的電腦CPU要使用硅作為原材料而不是其他元素這就需要追溯到當年愛迪生髮明電燈時發現的一個有趣現象開始說起。

愛迪生效應

在1883年的時候,愛迪生在他的實驗室中實驗各種適合作為燈絲的材料。當時愛迪生已經發明出了碳絲電燈,但由於碳絲熔點太低,所以這種電燈的壽命極低。這時候愛迪生正好突發奇想在燈泡中放一根和碳絲不相連的銅絲看看能不能阻止碳絲蒸發。但這並沒有成功,不過他卻發現了一個奇特的現象就是這根銅絲竟然產生了電流,明明銅絲和碳絲沒有相連是如何產生電流的呢?

其實這是因為碳絲產生的超高溫激發了銅絲中的電子,所以產生了電流。但當時的物理理論並沒有辦法解釋這個原因,不過商業嗅覺敏感的愛迪生還是將這個現象註冊了專利,並取名為“愛迪生效應”,接著他就繼續去研究燈泡材料,不在關心這個效應了。

然而後來的英國物理學家卻根據這個愛迪生效應發明了世界上第一個二極管,而美國的發明家德福雷斯特在此基礎上發明出三極管,正式開啟了電子學的新紀元。

第一隻晶體管的誕生

電子管由於其體積過於巨大再加上嚴重的發熱問題,因此在1945年貝爾實驗室的肖克利打算用硅製造一種代替電子管的放大器。但是做了許久,實驗都沒有進展他就將這個項目交給了他的兩個下屬:巴丁和布拉頓繼續去研究。

巴丁和布拉頓發現,以當時的科技水平想要用硅來製作晶體管難度太大沒有辦法實現,取而代之的轉而使用和硅物理學性質較為相似的鍺來作為原材料。因此在1947年,世界上第一個用鍺製作的晶體管就誕生了!也因此,在1957年的時候,他們三人因為共同研發了晶體管而獲得了那一年的諾貝爾物理學獎,這應該算人類歷史上最偉大的發明之一了。

貝爾實驗室發明了鍺晶體管,接著由德州儀器完成了其在電子領域的大規模運用。當時的收音機,電報機都使用了鍺晶體管。但是由於鍺較為稀有且價格昂貴,因此一般人還是無法負擔起這些電子設備。所以工程師們又重新將目光轉向了硅這個材料。

隨著材料學的發展,工業提純硅的技術越來越方便,面對價格低廉的硅,很快在1954年廉價且性能穩定的硅晶體管就取代了鍺晶體管。

集成電路的誕生

硅晶體管誕生以後,工業上仍然需要通過大量的人力將一個個硅晶體管焊接到一起,隨著計算機硬件的發展,需要的硅晶體管越來越多,這就讓一些設備的體積越來越大。因此德州儀器的以為員工基爾比就設想能否將所有的部件都刻在一個半導體上。

由於當時的硅的純度仍然不高,因此他又選用了鍺作為自己的主要材料,他把自己發明的這個半導體材料稱之為“集成電路”。不過有趣的是,僅僅時隔半年,美國仙童公司的諾伊斯就發明了更為廉價的基於硅的集成電路。不過基爾比並沒有被世人遺忘,在2000年的時候他憑藉著集成電路的發明獲得了諾貝爾物理學獎。下圖是世界上第一個集成電路。

可以說,鍺這個元素一直承擔著咱們計算機材料領域發展的墊腳石,所有重大的進展幾乎都離不開鍺這個元素,但由於其高昂的價格相比於硅元素來說並不適合大規模的量產,因此如今的電腦CPU全都使用的是硅元素來作為原材料。


麥大麥


cpu是由半導體高度集成的集成電路。目前能製成半導體(電子原件中最重要的原件)的只有兩種物質,一是硅,二是鍺。其作為半導體材料,使用得最多的就是硅元素,其在地球表面的元素中儲量僅次於氧,含硅量在27.72%,其主要表現形式就是沙子主要成分為二氧化硅中從生產成本和製作工藝以及物理特性,硅有很多優異的特性。

CPU內核是CPU中間的核心芯片,使用單晶硅製成,用來完成所有的計算、接受/存儲命令、處理數據等,是數字處理核心。其中單晶硅就是把沙子通過各種複雜的手段進行處理才可以製作成製作cpu的材料。



總的來說就是硅的獨特物理性質和原料豐富,決定了硅成為製作cpu的主要材料。


平林5


硅作為半導體材料的原因是:

1、適合 為什麼適合呢?譬如半導體特有的導電特性;穩定的化學性質(很難與其他元素髮生反應)等。

2、量多 硅在自然界的含量極其豐富,硅元素在地殼中的含量差不多有是30%。硅是半導體材料,當然,鍺也是,但硅好找呀,你往地上一看到處是硅

3、便宜 因為量多,所以便宜,不多解釋。關於這點可以追溯到第一塊IC的發明——當年德州儀器的Jacob率先發明瞭基於鎳的IC,隨後英特爾的諾伊斯發明了基於硅的IC,結果諾伊斯後來居上獲得美國專利認證(後來兩者都被認為是IC的發明者,Jacob還因此獲諾貝爾獎),就是因為硅便宜,適合商用推廣。

如果隨著科技的發展,也許人們發展更有優勢的材料也許硅將被代替


虎圖難得


答:理論上所有半導體都可以作為芯片材料,但是硅的性質穩定、容易提純、儲存量巨大等等性質,是所有半導體材料中,最適合做芯片的。


在晶體管(二極管、三極管等等)未發明之前,初期電子計算機使用的是電子管,但是電子管體積巨大、功耗高、壽命短;人類第一臺電子計算機使用18000個電子管,重30噸,佔地150平方米,耗電功率高達150千瓦,但是其運算能力遠遠趕不上如今的一臺掌上計算機。

後來科學家發明了晶體管,晶體管功耗低、體積小且壽命長,最早的晶體管是使用半導體材料鍺來製作的,從此微電子出現在人們視野當中。


晶體管可以簡單地理解為一種微型的開關,根據不同的組合設計,具有整流、放大、開關、穩壓等等功能;製作晶體管的關鍵就是半導體材料,因為半導體材料一般具有特殊性質,比如硅摻入磷元素可以形成N型半導體,摻入硼元素可以形成P型半導體。

我們把N型半導體和P型半導體進行組合,可以形成PN結,這是電子芯片當中的重要結構,我們把各種結構進行組合,就可以完成特定的邏輯運算(比如與門、或門、非門等等)。


理論上,所有的半導體材料都可以做為芯片材料,但是芯片對材料的要求極高,所以真正適合做芯片的半導體材料並不多,比如硅、鍺、碳化硅、氮化鎵等等。

其中硅因為擁有眾多優良特性,使得硅成為芯片的主要材料:

(1)硅元素的含量巨大,地球元素中僅次於氧元素(地球元素含量排行:氧>硅>鋁>鐵>鈣>鈉>鉀……)。

(2)硅元素提純技術成熟,製作成本低,最初晶體管使用鍺作為芯片材料,是因為當初硅元素的提純技術不成熟,如今硅的提純可以達到99.999999999%。

(3)硅元素的性質穩定,包括化學性質和物質性質,比如鍺做成晶體管,當溫度達到75℃以上時,其導電率有較大變化,而且做成PN結後鍺的反向漏電流比硅大,這對芯片的穩定性非常不利。

(4)硅本身是無毒無害的物質,我們常見的很多石頭都含有二氧化硅(SiO2)。


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艾伯史密斯


最主要原因是,在半導體硅材料表面可以非常容易地通過氧化方法制備出特性優異的絕緣層SiO2,進一步可以通過光刻、刻蝕、擴散等工藝步驟製作PN結,由此奠定了所謂“平面工藝”的基礎。平面工藝技術是製造集成電路的核心工藝。硅材料是最適合製造大規模集成電路的半導體材料。


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