01、第一代半導(dǎo)體材料

第一代半導(dǎo)體材料主要以硅，鍺為主。上一期和大家簡(jiǎn)單提及過，硅元素在地球上貯存非常豐富，占了地球整體的26.4%，超過了地球的四分之一，僅次于氧元素！如果說碳是組成一切有機(jī)生命的基礎(chǔ)，那么硅對(duì)于地殼來說，占有同樣的位置，因?yàn)榈貧さ闹饕糠侄际怯珊璧膸r石層構(gòu)成的。這些巖石幾乎全部是由硅石和各種硅酸鹽組成。加之硅的物理性質(zhì)與半導(dǎo)體產(chǎn)品所要求條件簡(jiǎn)直一拍即合！所以硅也是當(dāng)仁不讓成為了半導(dǎo)體生產(chǎn)的主要原材料。

那么，第一代半導(dǎo)體材料的另一個(gè)元素，鍺又是怎么作為半導(dǎo)體而存在的呢？其實(shí)追根溯源來說的話，鍺才是最早被研究的半導(dǎo)體原材料。鍺雖然屬于金屬，但屬于較為活潑的材料，它和介電材料的界面容易發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成氧化鍺，產(chǎn)生較多缺陷，進(jìn)而影響材料的性能。

再加上貯存量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于硅元素，所以直接作為襯底是不經(jīng)濟(jì)且有一定難度的，當(dāng)然了，這并不包括一些必要的工藝。至于襯底是什么往后也會(huì)為大家解釋。

第一代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用初始于上世紀(jì)60年代左右，縱然硅與鍺已經(jīng)為分立器件，集成電路等的開發(fā)打下了夯實(shí)的基礎(chǔ)，但二者還是有各自比較明顯的缺點(diǎn)。如鍺的耐高溫和抗輻射能力較弱，硅材料的物理性質(zhì)也限制了其在高電子及高頻高功率器件上的應(yīng)用。

充滿智慧的先輩們結(jié)合無數(shù)次科研的經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造出了第二代半導(dǎo)體材料。

02、第二代半導(dǎo)體材料

上世紀(jì)九十年代以來，隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)興起。隨之，第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭角。

第二代半導(dǎo)體材料主要是指化合物半導(dǎo)體材料。

這些化合物中，商業(yè)半導(dǎo)體器件中用得最多的是砷化鎵、磷化銦、磷砷化鎵（GaAsP）、砷鋁化鎵（GaAlAs）和磷鎵化銦（InGaP）。其中以砷化鎵技術(shù)最成熟，應(yīng)用也最廣。

相對(duì)于硅材料，以砷化鎵為首的第二代半導(dǎo)體材料在性質(zhì)上有兩大區(qū)別：

① 化合物半導(dǎo)體的電子遷移率較硅半導(dǎo)體快許多，因此適用于高頻傳輸，在無線電通訊，如手機(jī)、基地臺(tái)、無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星定位等皆有應(yīng)用；

② 化合物半導(dǎo)體具有直接帶隙，這是和硅半導(dǎo)體所不具備的。因此化合物半導(dǎo)體可適用發(fā)光領(lǐng)域，如發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD）、光接收器（PIN）及太陽能電池等產(chǎn)品?？捎糜谥圃斐咚偌呻娐贰?a target="_blank">微波器件、激光器、光電以及抗輻射、耐高溫等器件，對(duì)國(guó)防、航天和高技術(shù)研究具有重要意義。

砷化鎵等二代半導(dǎo)體材料適用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通信、GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。但是鎵（地殼含量?jī)H0.0015%）、銦（地殼含量?jī)H0.001%）材料資源非常稀缺，導(dǎo)致價(jià)格昂貴；同時(shí)，砷還有劇毒，會(huì)對(duì)人體，自然環(huán)境，乃至接觸的物質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重的有害化學(xué)反應(yīng)，在世界上許多國(guó)家是被嚴(yán)格限制的 ；這些缺點(diǎn)使得第二代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用具有一定的局限性。

1873年，英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體的第三種特性。

03、半導(dǎo)體的材料

不知道你是否注意到，近兩年安卓手機(jī)的充電速度越來越快了，就連蘋果手機(jī)也能對(duì)應(yīng)高速快充了！

從“充電五分鐘通話兩小時(shí)”的65W快充發(fā)展到如今最快150W-200W，高達(dá)4000mAh的手機(jī)電池，8-10分鐘就可以充滿電量，可以說部分消費(fèi)者使用手機(jī)的習(xí)慣已經(jīng)隨著快充技術(shù)的成熟徹底改變。

同樣的升級(jí)也正在新能源電車領(lǐng)域上演。近期小鵬汽車上線了S4超快充首樁，可以在小鵬G9車型上實(shí)現(xiàn)“充電5分鐘續(xù)航200公里”的提升，還由此引發(fā)了“純動(dòng)、混動(dòng)，誰是新能源車未來”的討論。

這些變革背后，都離不開一次共同的變革——第三代半導(dǎo)體材料。

第三代半導(dǎo)體材料指的是以碳化硅、氮化鎵為代表的材料。與前兩代半導(dǎo)體材料相比，其最大的優(yōu)勢(shì)是較寬的禁帶寬度，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率的電子器件，因此在5G基站、新能源電車、光伏、風(fēng)電、高鐵等領(lǐng)域有著很大應(yīng)用潛力。

其中，新能源電車是目前最主要的應(yīng)用及消費(fèi)市場(chǎng)。碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體也將隨之占據(jù)舞臺(tái)的“C位”。尤其碳化硅功率器件，60%以上用于電動(dòng)車領(lǐng)域——包括汽車空調(diào)、DC/AC主逆變器、OBC車載充電器、DC/DC變換器都需要用到SiC器件。SiC器件可以讓電機(jī)控制器的體積減少30%，重量隨之減輕，轉(zhuǎn)換效率平均大約有5%的提升。

目前特斯拉、比亞迪等車企已經(jīng)開始將SiC器件應(yīng)用于其新能源汽車的主控電路中。這帶動(dòng)了一波碳化硅的“上車潮”。國(guó)內(nèi)的小鵬、蔚來、理想等造車新勢(shì)力，都已推出或宣布推出SiC模塊。

04、小結(jié)

三代半導(dǎo)體材料都向大家做了介紹，咱們小結(jié)一下～

首先需要注意的是，“第一，二，三代半導(dǎo)體”的稱呼容易讓人產(chǎn)生錯(cuò)覺。實(shí)際上，這并非是一個(gè)更新?lián)Q代，新生和淘汰的關(guān)系。第三代半導(dǎo)體材料并不是第一代和第二代半導(dǎo)體材料的升級(jí)，并不比前兩代更加先進(jìn)，三者其實(shí)是共存的關(guān)系，各有各的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域。

第一代半導(dǎo)體以硅材料為主，應(yīng)用極為廣泛，其主要細(xì)分領(lǐng)域包括了集成電路、光電子、分立器件、傳感器；從昂貴的英偉達(dá)顯卡、蘋果M1芯片，到只有幾分錢一個(gè)的二極管都屬于第一代半導(dǎo)體。

第二代半導(dǎo)體以砷化鎵、磷化銦為代表，主要應(yīng)用于移動(dòng)通信、無線通信、光纖通信、LED、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域。

第三代半導(dǎo)體以氮化鎵、碳化硅為代表，其主要應(yīng)用于新能源電車、光伏、風(fēng)電、5G通信等領(lǐng)域。

從整體產(chǎn)值規(guī)模來看，第三代半導(dǎo)體目前還是一個(gè)小眾市場(chǎng)，第二代、第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)占比加起來不過 10%。目前市場(chǎng)的大頭仍然是第一代半導(dǎo)體材料。

審核編輯：郭婷