【技术分析】详解三代半导体材料究竟有何区别？

DT半导体材料 2022-12-07 19:17 1279浏览 0评论 0点赞

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研究机构：“全球碳化硅、氮化镓功率半导体市场预计2022年将达到18.4亿美元，2025年会进一步增长到52.9亿美元”。那么什么是半导体？

01 什么是半导体

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明应用、大功率电源转换等领域应用。如二极管就是采用半导体制作的器件。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

具体定义

物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性差的材料，如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体。而把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。

半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体是指一种导电性可控，范围从绝缘体到导体之间的材料。从科学技术和经济发展的角度来看，半导体影响着人们的日常工作生活，直到20世纪30年代这一材料才被学界所认可。

02 半导体的发展史

1833年

英国科学家电子学之父法拉第最先发现硫化银的电bai阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但法拉第发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。

1839年

法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特性。

1873年

英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体的第三种特性。

1874年

德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第四种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

半导体的这四个特性，虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。

03 三代半导体的区别

第一代半导体材料

兴起时间：二十世纪五十年代；

代表材料：硅（Si）、锗元素（Ge）半导体材料。

历史意义：第一代半导体材料引发了集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。

由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si 在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。但第一代半导体具有技术成熟度较高且具有成本优势，仍广泛应用在电子信息领域及新能源、硅光伏产业中。

第二代半导体材料

兴起时间：20世纪九十年代以来,随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起,以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料开始崭露头角。

代表材料：第二代半导体材料是化合物半导体；如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。

性能特点：以砷化镓为例，相比于第一代半导体，砷化镓具有高频、抗辐射、耐高温的特性，因此广泛应用在主流的商用无线通信、光通讯以及国防军工用途上

历史意义：第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。因信息高速公路和互联网的兴起，还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。如相比于第一代半导体，砷化镓（GaAs）能够应用在光电子领域，尤其在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。

从21世纪开始，智能手机、新能源汽车、机器人等新兴的电子科技发展迅速，同时全球能源和环境危机突出，能源利用趋向低功耗和精细管理，传统的第一、二代半导体材料由于自身的性能限制已经无法满足科技的需求，这就呼唤需要出现新的材料来进行替代。

第三代半导体材料

起源时间：美国早在1993年就已经研制出第一支氮化镓的材料和器件，而我国最早的研究队伍——中国科学院半导体研究所在1995年也起步该方面的研究，并于2000年做出HEMT结构材料。

代表材料：第三代半导体材料主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带（Eg>2.3eV）半导体材料。

发展现状：在5G通信、新能源汽车、光伏逆变器等应用需求的明确牵引下，目前，应用领域的头部企业已开始使用第三代半导体技术，也进一步提振了行业信心和坚定对第三代半导体技术路线的投资。

性能分析：与第一代和第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度(>2.2eV)、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、大功率及抗辐射器件，可广泛应用在高压、高频、高温以及高可靠性等领域，包括射频通信、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等。

第三代半导体中，SiC 与 GaN 相比较，前者相对 GaN 发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率，这使得在高功率应用中，SiC占据统治地位；同时由于GaN具有更高的电子迁移率，因而能够比SiC 或Si 具有更高的开关速度，在高频率应用领域，GaN具备优势。

第一、二代半导体技术长期共存：现阶段是第一、二、三代半导体材料均在广泛使用的阶段。第二代的出现没有取代第一代的原因是两者在应用领域都有一定的局限性，因此在半导体的应用上常常采用兼容手段将这二者兼容，取各自的优点，从而生产出符合更高要求的产品。第三代有望全面取代：第三代宽禁带半导体材料，可以被广泛应用在各个领域，消费电子、照明、新能源汽车、导弹、卫星等，且具备众多的优良性能可突破第一、二代半导体材料的发展瓶颈，故被市场看好的同时，随着技术的发展有望全面取代第一、二代半导体材料。

由于第三代半导体材料及应用产业发明并实用于本世纪初年，各国的研究和水平相差不远，国内产业界和专家认为第三代半导体材料成了我们摆脱集成电路（芯片）被动局面、实现芯片技术追赶和超车的良机。回顾半导体发展的辉煌历史，也在一定程度上代表了人类的文明史。如果说机械的发展解放了人类的劳动力，那么半导体的发展则解放了人类的计算力。而且半导体的发展势头绝不会就此停歇，必将随着科技的发展大放异彩，对我们每个人来讲，未来的半导体，未来的世界，值得我们期待。

文章来源：上海科普公园