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早期晶体管使用的主要半导体材料是什么?其技术难点在哪里?

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问题更新日期:2025-07-24 22:28:13

问题描述

早期晶体管主要采用锗作为核心半导体材料,后逐步过渡至硅基技术。材料特性与工艺限制是当时面临的主
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早期晶体管主要采用锗作为核心半导体材料,后逐步过渡至硅基技术。材料特性与工艺限制是当时面临的主要挑战。

材料类型应用时期核心特性
1947-1960s低熔点(937℃)
1960s至今高熔点(1414℃)

材料选择依据
锗作为首个商用半导体材料,其电子迁移率(3900cm2/(V·s))显著优于早期硅材料(1500cm2/(V·s)),但存在三大技术瓶颈:

  1. 热稳定性缺陷:工作温度超过75℃时性能急剧下降
  2. 提纯难度:需要实现99.9999%以上纯度
  3. 氧化控制:表面易形成不稳定氧化层

制造工艺难点
▌晶体生长:单晶锗生长需精确控制温度梯度(±0.5℃)
▌掺杂精度:杂质浓度需控制在101?~101?atoms/cm3范围
▌封装技术:防潮气渗透要求封装气密性<1×10??atm·cc/sec

材料迭代对比
硅取代锗的关键突破:

  • 热导率提升40%
  • 禁带宽度扩大至1.12eV(锗0.67eV)
  • 天然氧化层(SiO?)形成绝缘保护
材料参数
本征电阻率47Ω·cm230kΩ·cm
热膨胀系数6.1×10??2.6×10??
载流子寿命10?3秒10?2秒

可靠性问题
早期锗器件失效率高达3000FIT(每十亿小时失效次数),主要源于:
①热载流子效应引起的参数漂移
②金属半导体接触界面退化
③表面态电荷积累导致的漏电流

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