芯片的原材料是晶圆，而晶圆的成分是硅。常常有一种说法误解为“沙子可用来制造芯片”，实际上并非如此。沙子的主要化学成分是二氧化硅，玻璃和晶圆的主要化学成分也是二氧化硅。但不同之处在于，玻璃是多晶硅，高温加热沙子可以得到多晶硅。而晶圆是单晶硅，如果用沙子做还需要进一步将多晶硅变为单晶硅。

硅材料并不是直接就能跳到芯片这一步，硅是由石英沙所精练出来的硅元素，硅元素质子数比铝元素多一个，比磷元素少一个，它不仅是现代电子计算器件的物质基础，也是人们寻找外星生命的基本可能元素之一。通常，我们在对硅元素进行提纯炼化（99.999％）后，就可以将其制造成为硅晶棒，再将硅晶棒进行切片，得到的就是晶圆了。切割出来的晶圆越薄，芯片制造的成本就越低，但是对芯片工艺的要求也更高。

具体来看，硅变成晶圆可以划分为三个步骤：硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。

在自然界中，硅一般是以硅酸盐或二氧化硅的形式存在砂石中，将沙石原料放入2000℃高温且有碳源存在的电弧熔炉中，利用高温让二氧化硅与碳反应（SiO2＋2C＝Si＋2CO），从而得到冶金级硅（纯度约98％）。但这种纯度的硅还不足以用来制备电子元器件，因此还要对其进一步提纯。将粉碎的冶金级硅与气态氯化氢进行氯化反应，生成液态的硅烷，然后通过蒸馏和化学还原工艺，得到了高纯度的多晶硅，其纯度高达99．999999999％，成为电子级硅。

为什么说硅是最适合造芯片的材料？理论上来说，所有半导体都可以作为芯片材料，但是硅材料为什么最适合做芯片，主要原因有下：

1、按地球元素含量排行，依次为：氧＞硅＞铝＞铁＞钙＞钠＞钾……可以看到硅排在了第二位，含量巨大，这也让芯片有了几乎取之不尽用之不竭的原材料；

2、硅元素化学性质和物质性质都十分稳定，最早的晶体管其实是使用半导体材料锗来制作的，但是因为温度超过75℃时，导电率会出现较大变化，做成PN结后锗的反向漏电流比硅大，因此选取硅元素作为芯片材料更加合适；

3、硅元素提纯技术成熟，成本低，如今硅的提纯可以达到99.999999999％；

4、硅材料本身无毒无害，这也是其被选于用作芯片的制造材料的重要原因之一。

5、带隙合适：硅的带隙（即价带与导带之间的能量差）为1.12电子伏特（eV），这是一个刚刚好的数值。带隙太小容易漏电（如锗），太大则不易导电（如氧化铝）。硅的带隙既可以实现低漏电的静态逻辑，又能支持高速开关，是数字电路的理想材料。

6、天然形成良好氧化层：硅与氧结合会形成二氧化硅（SiO₂），这是一种极好的绝缘材料。更重要的是，它可以直接在硅晶圆表面通过热氧化形成均匀、致密的氧化层，广泛应用于晶体管的栅极结构，是MOSFET工艺的基石。

未来有没有可以出现替代硅的芯片材料？硅是如今应用最广泛的半导体材料，但被誉为“新材料之王”的石墨烯的出现，让很多专家预测，石墨烯很可能成为替代硅的绝佳选择，但主要还是取决于它的产业化发展情况。

石墨烯为什么会被人看好？除了其本身拥有不逊色于硅的半导体属性之外，还拥有很多硅不具备的优点。由于硅材料的加工极限被认为是10nm线宽，换句话说，制程小于10nm，硅产品也就越不稳定，对工艺的要求就越高。要想实现更高的集成度和性能，就必须采用新的半导体材料进行加工，石墨烯正好是一种不错的选择。科学家曾在常温下观察石墨烯的量子霍尔效应，这种材料碰到杂质时不会产生背散射，这说明它有很强的导电性。此外，石墨烯看上去近乎透明，其光学特性不仅十分优异，还能随石墨烯厚度的改变而改变。因此人们判断，这种特性很适合应用于光电子领域。