科普 | 詳解三代半導(dǎo)體材料究竟有何區(qū)別？

研究機(jī)構(gòu)：“全球碳化硅、氮化鎵功率半導(dǎo)體市場(chǎng)預(yù)計(jì)2022年將達(dá)到18.4億美元，2025年會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)到52.9億美元”。那么什么是半導(dǎo)體呢？今天就讓我們來(lái)好好了解一下。

半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體在集成電路、消費(fèi)電子、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、照明應(yīng)用、大功率電源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域應(yīng)用。

如二極管就是采用半導(dǎo)體制作的器件。無(wú)論從科技或是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來(lái)看，半導(dǎo)體的重要性都是非常巨大的。

今日大部分的電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話或是數(shù)字錄音機(jī)當(dāng)中的核心單元都和半導(dǎo)體有著極為密切的關(guān)聯(lián)。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅更是各種半導(dǎo)體材料中，在商業(yè)應(yīng)用上最具有影響力的一種。

物質(zhì)存在的形式多種多樣，固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導(dǎo)電性差的材料，如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體。

而把導(dǎo)電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導(dǎo)體?？梢院?jiǎn)單的把介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。

與導(dǎo)體和絕緣體相比，半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀(jì)30年代，當(dāng)材料的提純技術(shù)改進(jìn)以后，半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界認(rèn)可。

半導(dǎo)體是指在常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體是指一種導(dǎo)電性可控，范圍從絕緣體到導(dǎo)體之間的材料。從科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度 來(lái)看，半導(dǎo)體影響著人們的日常工作生活，直到20世紀(jì)30年代這一材料才被學(xué)界所認(rèn)可。

英國(guó)科學(xué)家電子學(xué)之父法拉第最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電bai阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但法拉第發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。

法國(guó)的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來(lái)人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特性。

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。

德國(guó)的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過(guò)來(lái)，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第四種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。

半導(dǎo)體的這四個(gè)特性，雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。

第一代半導(dǎo)體材料

興起時(shí)間：二十世紀(jì)五十年代；

代表材料：硅（Si）、鍺元素（Ge）半導(dǎo)體材料。

歷史意義：第一代半導(dǎo)體材料引發(fā)了集成電路（IC）為核心的微電子領(lǐng)域迅速發(fā)展。

由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場(chǎng)較低，Si 在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用受到諸多限制。但第一代半導(dǎo)體具有技術(shù)成熟度較高且具有成本優(yōu)勢(shì)，仍廣泛應(yīng)用在電子信息領(lǐng)域及新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中。

第二代半導(dǎo)體材料

興起時(shí)間：20世紀(jì)九十年代以來(lái),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)的興起,以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭角。

代表材料：第二代半導(dǎo)體材料是化合物半導(dǎo)體；如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）；GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導(dǎo)體，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半導(dǎo)體（又稱非晶態(tài)半導(dǎo)體），如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導(dǎo)體；有機(jī)半導(dǎo)體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

性能特點(diǎn)：以砷化鎵為例，相比于第一代半導(dǎo)體，砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性，因此廣泛應(yīng)用在主流的商用無(wú)線通信、光通訊以及國(guó)防軍工用途上

歷史意義：第二代半導(dǎo)體材料主要用于制作高速、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。因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，還被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。如相比于第一代半導(dǎo)體，砷化鎵（GaAs）能夠應(yīng)用在光電子領(lǐng)域，尤其在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面。

從21世紀(jì)開始，智能手機(jī)、新能源汽車、機(jī)器人等新興的電子科技發(fā)展迅速，同時(shí)全球能源和環(huán)境危機(jī)突出，能源利用趨向低功耗和精細(xì)管理，傳統(tǒng)的第一、二代半導(dǎo)體材料由于自身的性能限制已經(jīng)無(wú)法滿足科技的需求，這就呼喚需要出現(xiàn)新的材料來(lái)進(jìn)行替代。

第三代半導(dǎo)體材料

起源時(shí)間：美國(guó)早在1993年就已經(jīng)研制出第一支氮化鎵的材料和器件，而我國(guó)最早的研究隊(duì)伍——中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在1995年也起步該方面的研究，并于2000年做出HEMT結(jié)構(gòu)材料。

代表材料：第三代半導(dǎo)體材料主要以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶（Eg》2.3eV）半導(dǎo)體材料。

發(fā)展現(xiàn)狀：在5G通信、新能源汽車、光伏逆變器等應(yīng)用需求的明確牽引下，目前，應(yīng)用領(lǐng)域的頭部企業(yè)已開始使用第三代半導(dǎo)體技術(shù)，也進(jìn)一步提振了行業(yè)信心和堅(jiān)定對(duì)第三代半導(dǎo)體技術(shù)路線的投資。

性能分析：與第一代和第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度(>2.2eV)、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、大功率及抗輻射器件，可廣泛應(yīng)用在高壓、高頻、高溫以及高可靠性等領(lǐng)域，包括射頻通信、雷達(dá)、衛(wèi)星、電源管理、汽車電子、工業(yè)電力電子等。

第三代半導(dǎo)體中，SiC 與 GaN 相比較，前者相對(duì) GaN 發(fā)展更早一些，技術(shù)成熟度也更高一些；兩者有一個(gè)很大的區(qū)別是熱導(dǎo)率，這使得在高功率應(yīng)用中，SiC占據(jù)統(tǒng)治地位；同時(shí)由于GaN具有更高的電子遷移率，因而能夠比SiC 或Si 具有更高的開關(guān)速度，在高頻率應(yīng)用領(lǐng)域，GaN具備優(yōu)勢(shì)。

第一、二代半導(dǎo)體技術(shù)長(zhǎng)期共存：現(xiàn)階段是第一、二、三代半導(dǎo)體材料均在廣泛使用的階段。第二代的出現(xiàn)沒(méi)有取代第一代的原因是兩者在應(yīng)用領(lǐng)域都有一定的局限性，因此在半導(dǎo)體的應(yīng)用上常常采用兼容手段將這二者兼容，取各自的優(yōu)點(diǎn)，從而生產(chǎn)出符合更高要求的產(chǎn)品。第三代有望全面取代：第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，可以被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，消費(fèi)電子、照明、新能源汽車、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等，且具備眾多的優(yōu)良性能可突破第一、二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展瓶頸，故被市場(chǎng)看好的同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展有望全面取代第一、二代半導(dǎo)體材料。

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