第一代半導體材料主要以硅，鍺為主。上一期和大家簡單提及過，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生命的基礎，那么硅對于地殼來說，占有同樣的位置，因為地殼的主要部分都是由含硅的巖石層構成的。這些巖石幾乎全部是由硅石和各種硅酸鹽組成。加之硅的物理性質與半導體產(chǎn)品所要求條件簡直一拍即合!所以硅也是當仁不讓成為了半導體生產(chǎn)的主要原材料。那么，第一代半導體材料的另一個元素，鍺又是怎么作為半導體而存在的呢？其實追根溯源來說的話，鍺才是最早被研究的半導體原材料。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,生成氧化鍺,產(chǎn)生較多缺陷,進而影響材料的性能。再加上貯存量遠遠少于硅元素，所以直接作為襯底是不經(jīng)濟且有一定難度的，當然了，這并不包括一些必要的工藝。至于襯底是什么往后也會為大家解釋。第一代半導體材料的應用初始于上世紀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)打下了夯實的基礎，但二者還是有各自比較明顯的缺點。如鍺的耐高溫和抗輻射能力較弱，硅材料的物理性質也限制了其在高電子及高頻高功率器件上的應用。

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

上世紀九十年代以來，隨著移動通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)興起。隨之，第二代半導體材料開始嶄露頭角。

第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料。這些化合物中，商業(yè)半導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）。其中以砷化鎵技術最成熟，應用也最廣。

相對于硅材料，以砷化鎵為首的第二代半導體材料在性質上有兩大區(qū)別：

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

② 化合物半導體具有直接帶隙，這是和硅半導體所不具備的。因此化合物半導體可適用發(fā)光領域，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。可用于制造超高速集成電路、微波器件、激光器、光電以及抗輻射、耐高溫等器件，對國防、航天和高技術研究具有重要意義。

砷化鎵等二代半導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，廣泛應用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信、GPS導航等領域。但是鎵（地殼含量僅0.0015%）、銦（地殼含量僅0.001%）材料資源非常稀缺，導致價格昂貴；同時，砷還有劇毒，會對人體，自然環(huán)境，乃至接觸的物質產(chǎn)生嚴重的有害化學反應，在世界上許多國家是被嚴格限制的 ；這些缺點使得第二代半導體材料的應用具有一定的局限性。

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

不知道你是否注意到，近兩年安卓手機的充電速度越來越快了，就連蘋果手機也能對應高速快充了！

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

同樣的升級也正在新能源電車領域上演。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、混動，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——第三代半導體材料。

第三代半導體材料指的是以碳化硅、氮化鎵為代表的材料。與前兩代半導體材料相比，其最大的優(yōu)勢是較寬的禁帶寬度，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、風電、高鐵等領域有著很大應用潛力。

其中，新能源電車是目前最主要的應用及消費市場。碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體也將隨之占據(jù)舞臺的“C位”。尤其碳化硅功率器件，60%以上用于電動車領域——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器件可以讓電機控制器的體積減少30%，重量隨之減輕，轉換效率平均大約有5%的提升。

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

三代半導體材料都向大家做了介紹，咱們小結一下～

首先需要注意的是，“第一，二，三代半導體”的稱呼容易讓人產(chǎn)生錯覺。實際上，這并非是一個更新?lián)Q代，新生和淘汰的關系。第三代半導體材料并不是第一代和第二代半導體材料的升級，并不比前兩代更加先進，三者其實是共存的關系，各有各的優(yōu)勢和應用領域。

第一代半導體以硅材料為主，應用極為廣泛，其主要細分領域包括了集成電路、光電子、分立器件、傳感器；從昂貴的英偉達顯卡、蘋果M1芯片，到只有幾分錢一個的二極管都屬于第一代半導體。

第二代半導體以砷化鎵、磷化銦為代表，主要應用于移動通信、無線通信、光纖通信、LED、衛(wèi)星導航等領域。

第三代半導體以氮化鎵、碳化硅為代表，其主要應用于新能源電車、光伏、風電、5G通信等領域。

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

本文轉載自微信公眾號寬禁帶半導體技術創(chuàng)新聯(lián)盟，不做商業(yè)用途，只作新聞參考