具备什么样特性的材料可以用来制作芯片?碳纳米管为什么可以替代硅晶体呢?

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【美国制造出微碳纳米管计算机】美国斯坦福大学工程学院25日宣布,他们已建造了第一台微碳纳米管计算机,向制造更快更小的电子设备迈出一大步。虽然这台计算机的运行速度目前并不快,但在寻找硅晶体替代品领域却是一大突破。碳纳米管是卷起来的单层碳原子,数万个才赶得上一根头发的宽度。法新社报道。

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5个答案
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_whyCD无机非金属材料工程学士,户外达人

2013-09-28 21:40

我想LZ这里应该是指芯片里的晶体管...理论上来说只要能产生场效应并能用于在较低电位时切换的材料都能用作晶体管制造(禁带、载流子、PN结、位垒啊之类的自行Google),半导体行业涉及的面还是非常广阔的~
早期的半导体材料研究,单质主要集中在Si和Ge上,还有一部分是B、Sb、Se、Te;化合物类有:GaAs、InP、InSb、SiC、InGaAs和CdS等等。
去年的时候听说过在棉线表面进行包覆,使其变为半导体材料从而制造成晶体管的报道~虽然棉线只是作为一种基质存在,但也说明了芯片里面不仅仅需要硅。
现在的主流CPU里面,除了硅以外,还大量使用了铝(现在基本上被铜取代),这些金属材料起桥梁作用——连接各个基本元件。

至于为什么CNT能代替晶体硅...其实理论上是很完美的,再者CNT本身就具有半导体性质,再者的再者CNT的空间结构为六边排列,传输速率超过硅,这方面的理论可以自行google~在上世纪已经讨论过很久了,至于为什么现在才实现,主要问题集中在实现CNT的半导体化以及一套能使其稳定的工艺流程。其实这个报道只是提到制作出来了这种芯片,至于能不能用...还没人敢用...个人感觉CNT用于半导体行业的前途尚未明朗,各位也别轻信炒作,除非你去搞投资...但是CNT用作结构材料还是不错的。

又一个理论上来说,CNT它哥——石墨烯也能代替晶体硅~前提条件是能克服工艺上的困难,以较低成本提炼出纯度足够高的石墨烯。另外石墨烯没有禁带让砖家叫兽很蛋疼...

扯了这么多,理论上一大堆...orz

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冯.霍恩海姆纳米物理学博士生

2013-09-29 15:49
支持者: 冰红茶

碳纳米管(CNT)之所以成为微电子领域代替硅基材料的候选人(注意,目前CNT还无法代替硅),因为理论上CNT满足芯片级场效应晶体管的所有要求:高迁移率,可调带隙,p型n型掺杂,以及纳米级的直径。

CNT较高的迁移率来自它的母材料石墨烯(graphene)。完美graphene的六边形蜂窝状结构造成其表面的能带结构呈现狄拉克锥的结构,即表面电子的运动服从狄拉克方程,呈现无质量狄拉克费米子行为,电子在graphene面内的传输是弹道输运(没有散射作用),这时候graphene拥有极高的迁移率。

当graphene卷成CNT后,由于在一个方向上晶格失去了周期性,所以能带结构中出现了禁带,这个禁带宽度是与graphene的卷曲程度也就是CNT的直径有关。当卷曲的方向(即CNT的手性)合适使得禁带处于狄拉克锥附近,能带的狄拉克锥被破坏并被拉开了带隙,同时迁移率随着带隙增大而迅速降低。如果禁带宽度合适,CNT便可呈现较窄的带隙以及合适的迁移率,带隙的大小则直接影响CNT的开关比,这是衡量场效应晶体管开关特性的重要指标。

CNT的p型和n型掺杂的实现,使得用CNT构造p-n结成为可能。而CNT的纳米级直径则是其最为被看重的特性,小直径的CNT可以达到只有几个nm粗,远低于现在硅基芯片的特征尺寸。用CNT可以有效压缩晶体管布置的空间,有效避免硅基芯片中压缩线宽造成的绝缘层量子隧穿产生的漏电。

另外由于zigzag手性的CNT具有高的金属性,所以芯片中的电路也可以由CNT代替,这样还减轻了不同材料之间接触对器件电性影响的麻烦,这也是全碳芯片或全碳电路的概念。

当然前面提到的CNT手性对带隙的调节也是目前制约CNT在电子领域应用的一个主要问题,因为CNT生长是的手性是很难控制的,所以生长得到CNT的电学性能目前还是不太可控的。另外就是要生产低于10nm直径的碳管目前工艺上还有困难。最后就是CNT自组装的取向控制以及缺陷控制等问题。

最后说说斯坦福这个小组的工作,他们主要是解决了CNT生长中存在的金属性问题以及自组装的控制。在生长过程中通电加热可以是导电的金属性CNT由于电流热效应挥发,这样剩下的CNT就呈现比较一致的半导体性。另外就是通过算法来排除自组装过程中产生的失配的CNT(这方面我不是太懂)。他们制作的芯片目前只包含178个CNT晶体管,集成度相当之低,只是对CNT晶体管应用以及CNT集成电路的一个探索,他们的产品本身基本没有实用性。

所以说CNT代替硅,理论上是可行的,实际上工艺是完全没达到的;即便工艺上达到了,它的性能,成本等各方面商业上要考虑的因素是否能打倒硅技术,也是有疑问的。从理论到技术再到工程,硅领先了大半个世纪,所以现在说代替还早得很。

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碳纳米管工艺稳定可靠的话,做出来的处理器速度秒杀现在的处理器分分钟的事情啊!!!不过貌似还有很长一段路要走啊!

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大头目辉光数码管 荧光数码管

2013-09-29 21:58

我真希望IC可以变得可弯曲可折叠 超薄 散热量超小 那样世界就大不同了

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Tech_Geek微波电路,模拟混合信号集成电路,和光学集成电路设...

2013-09-30 00:52

实际上现在学术界炒的很热的就是graphene还有CNT。 但是,决定一个技术是否真的能工业化,很大的因素就是成本控制。

就像我之前一直在做的功率放大器(PA)其实很简单,业界是个人都知道,GaN做的管子就是比SiGe和CMOS要好,但工业界上面就是推广不开,原因就是成本。

而且,许多人老认为,研究院所做出来的东西是高科技,商场里面买平民商品是低科技。在我看来,正好是相反的。实验室成果,和prototype的技术根本无法和商用,民用的产品相匹敌。平民商品的设计,在科技上都是优化到了极致,所以才能推广普及。真正的高科技,就是能应用和平民化的科技。

所以,不管怎么说,硅基的半导体已经是经过历史和时间的检验,是真正的无与伦比的技术。CNT 和graphene,真的还有很长的路要走。(不过话说,几乎大部分的用于卫星和外太空的微波电路和集成电路,都不是硅基的。而且,军用电路也不是,因为硅基电路在强电磁辐射下,都不能正常工作。)

按照摩尔定律,往下的技术路线是这样的: 65nm, 45/44nm, 32nm, 28nm(不是22nm), 这样基本可以工业化的硅基半导体技术就到头了。再往下的12nm技术就是大家热炒的CNT了。

P.S. 至于28nm级的集成电路,哎,真心不想说啥,这个技术和65nm比起来,简直是烂到极点了,还有很长很长的路要走。

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