為什麼 CPU 只用硅做，而不用能耗更低的鍺做？

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CPU就是在一張矽片上，刻幾百萬個晶體二極體。
製成二極體，硅的開啟電壓（死區電壓）需要0.5V，鍺的開啟電壓只需0.1V。也就是鍺CPU只需零點幾的電壓就能運行，比現在的1V低多了，也算CPU的革命吧。
電壓更低，意味發熱量更少，集成度和頻率可以更高。
即便開發鍺CPU有困難，也比腦動大開的量子CPU，光子CPU， DNA CPU靠譜吧？

看到這個問題，半夜爬起來答！哥現在每天都在玩鍺啊！

錢幣收藏只是我的愛好，鍺才是我每天的工作……

先簡單介紹一下，我們組裡主要研究方向是在硅或鍺基底上生長GeSn, GeSiSn和Ge. 我自己的研究主要集中在後兩者上面。

目前最高票答案已經說得很清楚了，硅用來做CPU，是因為它的優點太多，而缺點都是可克服的。鍺雖然也有優點（比如開啟電壓、載流子遷移率），但它的幾個缺點是很難克服的。

首先是價格。硅直接拿沙子就能制，雖然工藝複雜吧但是原料成本接近0.鍺在地殼中分布非常分散，成品鍺（還不是半導體級別）的價格就已經超越了白銀，印象中將近2000美元一公斤。

其次很大一個問題就是鍺的氧化物不穩定，不好用。二氧化硅是緻密的絕緣體，力學電學化學性質都很穩定，不溶於水；氧化鍺沒那麼緻密，還是溶於水的。這一條基本就宣告了CPU無望。

還有鍺器件在稍高的溫度下表現不良的問題，以及鍺本身比硅重，又比硅軟，更容易碎；等等。而且現在整個半導體行業都以硅為基礎，沒人會開發鍺的CPU。

目前鍺的前途很大程度上在光電學方面，太陽能電池，光感測器，紅外LED，鍺激光器（這個已經被MIT做出來了，但不是大家想像中的激光筆那樣子），等等。因為硅做激光完全不可能，鍺又能比較容易地在硅上生長出來，因此大家的理想是將用鍺做成的光學器件與硅做成的電子器件整合在一張矽片上。那就牛逼了。

我們組是目前世界上唯一一個用Ge3H8和Ge4H10生長鍺的研究組。目前我們在硅上面長鍺已經能長得很好了，長出來的鍺膜可以用來做襯底生長其他的半導體材料。我手頭正在進行的一個課題是鍺的in-situ doping, 已經出了兩篇文章，還在繼續努力中。。。

再說一句，近三五年來鍺基半導體方面進展很大，但是不少同行還沒完全了解這些進展。如果看以前的書本上講的一些關於生長鍺的局限，現在很多都已經被攻克了。以前人們說在硅上沒辦法直接長鍺，還有得用高溫，或者需要幾個GeSi的buffer，十年前確實是這樣。但現在我在三百多度的溫度下直接在矽片上生長鍺，出來的膜質量很不錯。

嗯，先說這麼多。

-------------以上是原答案------------------
大家這麼捧場真是受寵若驚……個人在知乎最多贊原來還是來自於自己的研究這一塊啊。在最後加幾個參考文獻吧。
1, Chi Xu, R. T. Beeler, L. Jiang, G. Grzybowski, A. V. G. Chizmeshya, J. Menendez and J. Kouvetakis, "New strategies for Ge-on-Si materials and devices using non-conventional hydride
Chemistries: the tetragermane case ", Semiconductor Science and Technology, 28 105001 (2013)

2, Chi Xu, CL Senaratne, J Kouvetakis and J Menéndez, "Frustrated incomplete donor ionization in ultra-low resistivity germanium films", Applied Physics Letters 105 (23), 232103

3, G Grzybowski, L Jiang, R T Beeler, T Watkins, A V G Chizmeshya, C Xu, J Mene?ndez and J Kouvetakis, "Ultra low-temperature epitaxy of Ge-based semiconductor and optoelectronic structures on Si(100): Introducing higher order germanes (Ge3H8, Ge4H10) ", Chemistry of Materials, 24(9), 1619-1628 (2012).

鍺貴，發熱大漏電大都是原因，但是這些還不是最根本的。
關鍵是硅的工藝太方便了。

硅做提純，HF輕鬆一步搞到99.9以上。
硅做晶圓，單晶柱隨便拉。
硅做絕緣層，有「上帝創造的」完美的硅/氧化硅界面。（這個是最重要的，所以換hkmg之後各種替代硅的材料才開始興起）
硅做摻雜，金剛石結構退火一下晶格損傷自己修復。
硅做氧化，濕氧干氧cvd各種工藝任你挑選。
硅做刻蝕，有氧化硅掩膜，不行還有氮化硅，濕法干法都有變態的選擇比。
硅做微結構，還有各向異性刻蝕這種大殺器。

硅的工藝選擇實在是太方便太豐富太便宜了，所以縱使硅的性能在深亞微米已經開始力不從心，工藝界還是捨不得拋棄硅，而是繼續折騰各種新技術給硅續命...

另外閾值電壓低不代表運行電壓低。
因為電路依然是要電流驅動負載（一般是寄生電容）的。如果電源電壓太低會使驅動電流太小，負載充放電速度會很慢，頻率就上不去。
基礎的數字電路動態功耗是cfv^2，只取決於電源電壓、頻率和負載電容。閾值影響的是v和f之間的限制關係，但這最終依然是一個頻率和功耗的trade off，所以降低閾值並不一定能顯著降低動態功耗。但是閾值太低一定會導致關斷漏電高，顯著增加靜態功耗。。。
現在用鍺的一般是看中鍺的高遷移率來提高頻率，或是用鍺硅製備異質節，而不是因為閾值電壓。

要說閾值電壓的話。。。硅器件還有負閾值的耗盡型CMOS呢。。。調閾值不就一個摻雜的事情嘛。。。

我來講個故事吧~
1948年，世界上第一個點接觸晶體管是用鍺做噠~就是這個樣子

世界上第一個晶體管 (1948)

在遙遠的上古時代（1950~），那時候集成電路還沒有發明，晶體管的分立器件就已經慢慢由鍺變成了硅。這是為什麼呢？
世界上第一個和第一個商用的雙極結型晶體管都是用鍺做的。摩托羅拉公司當時還是一家車載收音機的製造商。摩托羅拉是當時第一家使用晶體管來製造收音機的廠商。但是好景不長，摩托羅拉收到了大量用戶投訴，說他們發現摩托羅拉的車載收音機在午後的陽光下曝晒一個下午後，就不再工作了。摩托羅拉被搞得焦頭爛額，這從市場層面給了摩托羅拉公司很強的動力用硅替換鍺來製造晶體管。
為啥會這樣呢？因為鍺在受熱之後會變成本徵態，這使得n型半導體和p型半導體都失去了他們特有的性質，那結果呢就是雙極結型晶體管不能再工作了。而硅可以經受更高溫度的考驗。

摩托羅拉Chrome Nose車載收音機

硅取代鍺其實是歷史的必然，讓我們來看看硅棒棒的性質吧：

有著和鑽石一樣棒的晶體結構，這賦予了硅極好的穩定性和強度
超棒的隊友二氧化硅（SiO2），用簡單的爐式氧化法就可以得到非常高質量的二氧化硅，而且界面態很少(~ $~10^{10} cm^{-2} eV^{-1}$ )。啥是爐式氧化法呢？大概就和烤麵包差不多，類似你把矽片放到一個充滿氧氣的烤箱里去烤一下。其實很多半導體工藝都能找到生活中的類比物，太陽能電池的製造就和咱們烙煎餅果子差不多，我會亂說？
硅的帶隙更大，具有更好的熱穩定性
硅材料便宜啊，硅都是沙子提煉出來的，想想地球上有多少沙子可以用吧！

單晶硅的晶柱

單晶硅的晶柱
還有一點非常重要！鍺CPU 75度以上就不能工作了，那還讓我們怎麼用小米手機煎雞蛋呢，對吧？

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PS：貌似大家對75度以上不能工作有些疑問。大家可以看看下面這個公開課里絕緣體轉變為導體的實驗。
湖南大學公開課：大學物理的生活震撼（主要實驗在1:30-4分鐘）
實驗里玻璃被加熱之後，從絕緣體變成了導體，是因為溫度升高，熱激發的電子越來越多。鍺也是一樣，當溫度升高到75度以上時，熱激發的電子數量能達到1e15，那一切淺摻雜的鍺這時候就徹底變成導體了，無法再正常工作。

終於看到了研究相關的問題，怒答！
1947年，貝爾實驗室研製出了世界上第一隻點接觸三極體，採用就是Ge材料，這奠定了微電子工業的基礎。直到 20 世紀 50 年代末、 60 年代初以前的十幾年間，鍺都是雙極型晶體管的主要支
撐材料。但是Ge材料存在以下幾個問題：
1.鍺的地殼含量很少，據估計地殼中鍺的含量是 1.8 ppm（百萬分之一），而硅的含量是 277100 ppm，這導致了過高的製造成本；
2.硅工藝中的SiO2/Si體系非常穩定並且界面態密度低、缺陷和陷阱少。而Ge的氧化物非常不穩定，在400度以上還容易發生解析反應，所以器件製作難度大、器件穩定性差和大的柵漏電
流，所以單一的GeOx/Ge結構難成為鍺基 MOSFET 器件的理想柵介質和隔離層；
3.Ge的禁帶寬度只有0.66eV，相比於Si的1.12eV,這就導致Ge器件比較容易被擊穿，靜態功耗就大了；
4.現有水平製備出的Ge襯底，達不到Si的純度和低界面態密度。
由於存在以上問題，60年代之後Si逐漸取代了Ge。當然，隨著工藝尺寸的不斷縮小，Si材料將達到其物理極限(電子和空穴遷移率過低是硬傷)，Ge或者Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體或許是作為溝道材料的一個很好選擇。
現階段U-Tokyo,Stanford,Purdue,MIT基本上代表了Ge或者Ⅲ-ⅤMOS器件研究領域最高水平，主要研究方向是降低界面態密度情況下減小EOT(等效氧化物厚度)，新的高k介質還有與Si基集成等。國內也有一些高校在做，比如THU、PKU、FUDAN、NJU等。

來個專業的回答吧。
首先，因為硅有SiO2/Si這對逆天完美組合，界面缺陷少，絕緣體禁帶寬度大，體缺陷密度低，所以是極佳的MOSFET器件材料。反之，GeO2/Ge在400度開始發生GeO析出，這個溫度又恰恰低於參雜激活所需要的退火溫度550度。所以界面非常糟糕。
第二，源漏電極的接觸非常糟糕。金屬在源漏電極形成肖特基接觸（而非歐姆接觸）導致器件串聯電阻很大。就意味著器件根本沒法高速運作。而且n型Ge參雜濃度上限很低，導致n源區電阻很大
第三，雖然上述兩個問題，都可以克服。但Ge基MOSFET器件閾值電壓隨使用時間會發生偏移，無法做穩定的邏輯運算。
當然，我們還是相信鍺是好的，它的電子，空穴遷移率都是硅的兩倍以上。如果想了解更多請關注今年的VLSI。我會介紹鍺基器件的最新進展

看偏旁就知道性價比了好不

提供我覺得對的部分原因吧：
1，硅儲量豐富，價格低，易提純，性能穩定
2，硅晶圓可以很大個，8寸，12寸，未來的18寸，晶圓廠都可以拉出來，鍺晶體你搞個試試
3，開啟電壓低是優勢也是劣勢，對工藝提出很高要求，如果工藝滿足不了，那麼低壓情況下的高漏電將會造成很大的麻煩
4，生產慣性，成熟的配套設備、工藝條件、產業鏈都是架構在硅上的，重新換鍺，成本太高不是，而且短期還看不到利益
5，覺得對的請點贊，哈哈

鍺的能帶導致無法在溫度高於75度的時候正常工作。

貴……你這個想法好幾十年前的人都考慮過了。鍺在那個時候就是高檔半導體器件上才用的。如果啥都用鍺做的話也就不會有近幾十年的信息技術革命了。

銦鎵砷和應變鍺。。。英特爾正在研究。。。發熱問題沒有解決

前蘇聯做過鍺的CPU
後來哭了
那都是很早時候的事情了
應該是硅和鍺天生的性質差異造成的
單純想電壓這事，就是把問題想簡單了
熱穩定性啊，半導體線性啊，生產製造工藝要求啊等等，要考慮的事情太多了，要不然也不會到現在，全世界也就兩家民用電腦CPU製造商，其中一家還在吃救濟過日子。

現在量子光子DNA CPU，算是新興科技。
燒錢看看能有沒有啥產出吧
據說現在是產出點東西了的。

樓上諸位說得已經很全面，之所以選擇Si，主要是兩方面考慮。一是器件性能問題，二是工藝問題。
但是認為Ge比較貴，所以從成本考慮選擇Si這個觀點可能有些問題。其實Ge wafer的價格比Si wafer要便宜，當然其中有供求關係的一部分原因。但我們在做ic的wafer這塊成本上，真正在材料上付出的成本是很少的。一來，本身ic的面積非常小，導致這和傳統行業有很大差別；二來加工成本之高，可以完全cover掉材料的成本。
舉個可能不太恰當的例子，一把寶劍價值連城，本身製作用的鐵的價值可以忽略不計，真正決定價格是如何把鐵練成好鋼的技術。

主要還是硅和它表面氧化的二氧化硅有著完美的界面。所以硅被稱為"上帝的禮物"～當然這是曾經了，後來隨著等比例縮小的規律，氧化層界面越來越薄，如果繼續用氧化硅的話量子隧穿效應會非常明顯，導致柵極漏電嚴重。現在就用一些High k介質替代了，不過有的還是在high k和硅界面上長一層極薄的氧化硅，因為這個界面實在是太完美啦！

1. SiO2+2C==Si+2CO
2. Si+2Cl2==SiCl4
3. SiCl4+2H2==Si+4HCl
第一步是粗硅含有未反應完全的雜質碳第二步轉化為SiCl4 沸點較低 50多度容易轉化為氣體從而起到和雜質碳分離的目的,第三步用還原劑把硅從化合態還原為純凈單質硅

好吧我答不下去了

為啥這麼多大牛不提醒他一下CPU里的晶體管大部分都不是二極體啊。。。三極體？？？nonono，全是mos管啊基本上，pmos和nmos組合起來叫CMOS電路。。。基本上單管的壓降啊什麼的很低了，功耗也是，CMOS電路比TTL電路的功耗下降太多了，ttl就是二極體三極體組成的邏輯電路

為什麼用塑料碗而不用紙碗~

一來，本身ic的面積非常小，導致這和傳統行業有很大差別；二來加工成本之高，可以完全cover掉材料的成本。當然，我們還是相信鍺是好的，它的電子，空穴遷移率都是硅的兩倍以上。如果想了解更多請關注今年的VLSI。我會介紹鍺基器件的最新進展

還有個原因是鍺的0.66ev太小了，CPU溫度高，鍺承受不了。

Si現在毋庸置疑是半導體行業的王者，在微電子領域有統治性地位，歸根結底是是因為作為微電子領域基石的MOS使用Si材料太容易實現了，在氧氣氣氛下燒一下就可以形成絕緣層氧化物SiO2。雖然二代半導體鎵砷，銦磷以及三代半導體氮化鎵，碳化硅在性能上有諸多優勢，但是氧化層的問題決定了成本和工藝複雜性相對硅差太多。

主要還是成本上的考量