半导体材料的分类、优势和应用领域

01、第一代半导体材料

第一代半导体材料主要以硅，锗为主。上一期和大家简单提及过，硅元素在地球上贮存非常丰富，占了地球整体的26.4%，超过了地球的四分之一，仅次于氧元素！如果说碳是组成一切有机生命的基础，那么硅对于地壳来说，占有同样的位置，因为地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构成的。这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。加之硅的物理性质与半导体产品所要求条件简直一拍即合！所以硅也是当仁不让成为了半导体生产的主要原材料。

那么，第一代半导体材料的另一个元素，锗又是怎么作为半导体而存在的呢？其实追根溯源来说的话，锗才是最早被研究的半导体原材料。锗虽然属于金属，但属于较为活泼的材料，它和介电材料的界面容易发生氧化还原反应，生成氧化锗，产生较多缺陷，进而影响材料的性能。

再加上贮存量远远少于硅元素，所以直接作为衬底是不经济且有一定难度的，当然了，这并不包括一些必要的工艺。至于衬底是什么往后也会为大家解释。

第一代半导体材料的应用初始于上世纪60年代左右，纵然硅与锗已经为分立器件，集成电路等的开发打下了夯实的基础，但二者还是有各自比较明显的缺点。如锗的耐高温和抗辐射能力较弱，硅材料的物理性质也限制了其在高电子及高频高功率器件上的应用。

充满智慧的先辈们结合无数次科研的经验，创造出了第二代半导体材料。

02、第二代半导体材料

上世纪九十年代以来，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兴起。随之，第二代半导体材料开始崭露头角。

第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料。

这些化合物中，商业半导体器件中用得最多的是砷化镓、磷化铟、磷砷化镓（GaAsP）、砷铝化镓（GaAlAs）和磷镓化铟（InGaP）。其中以砷化镓技术最成熟，应用也最广。

相对于硅材料，以砷化镓为首的第二代半导体材料在性质上有两大区别：

① 化合物半导体的电子迁移率较硅半导体快许多，因此适用于高频传输，在无线电通讯，如手机、基地台、无线区域网络、卫星通讯、卫星定位等皆有应用；

② 化合物半导体具有直接带隙，这是和硅半导体所不具备的。因此化合物半导体可适用发光领域，如发光二极管（LED）、激光二极管（LD）、光接收器（PIN）及太阳能电池等产品。可用于制造超高速集成电路、微波器件、激光器、光电以及抗辐射、耐高温等器件，对国防、航天和高技术研究具有重要意义。

砷化镓等二代半导体材料适用于制作高速、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，广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。但是镓（地壳含量仅0.0015%）、铟（地壳含量仅0.001%）材料资源非常稀缺，导致价格昂贵；同时，砷还有剧毒，会对人体，自然环境，乃至接触的物质产生严重的有害化学反应，在世界上许多国家是被严格限制的 ；这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有一定的局限性。

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。

03、半导体的材料

不知道你是否注意到，近两年安卓手机的充电速度越来越快了，就连苹果手机也能对应高速快充了！

从“充电五分钟通话两小时”的65W快充发展到如今最快150W-200W，高达4000mAh的手机电池，8-10分钟就可以充满电量，可以说部分消费者使用手机的习惯已经随着快充技术的成熟彻底改变。

同样的升级也正在新能源电车领域上演。近期小鹏汽车上线了S4超快充首桩，可以在小鹏G9车型上实现“充电5分钟续航200公里”的提升，还由此引发了“纯动、混动，谁是新能源车未来”的讨论。

这些变革背后，都离不开一次共同的变革——第三代半导体材料。

第三代半导体材料指的是以碳化硅、氮化镓为代表的材料。与前两代半导体材料相比，其最大的优势是较宽的禁带宽度，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率的电子器件，因此在5G基站、新能源电车、光伏、风电、高铁等领域有着很大应用潜力。

其中，新能源电车是目前最主要的应用及消费市场。碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体也将随之占据舞台的“C位”。尤其碳化硅功率器件，60%以上用于电动车领域——包括汽车空调、DC/AC主逆变器、OBC车载充电器、DC/DC变换器都需要用到SiC器件。SiC器件可以让电机控制器的体积减少30%，重量随之减轻，转换效率平均大约有5%的提升。

目前特斯拉、比亚迪等车企已经开始将SiC器件应用于其新能源汽车的主控电路中。这带动了一波碳化硅的“上车潮”。国内的小鹏、蔚来、理想等造车新势力，都已推出或宣布推出SiC模块。

04、小结

三代半导体材料都向大家做了介绍，咱们小结一下～

首先需要注意的是，“第一，二，三代半导体”的称呼容易让人产生错觉。实际上，这并非是一个更新换代，新生和淘汰的关系。第三代半导体材料并不是第一代和第二代半导体材料的升级，并不比前两代更加先进，三者其实是共存的关系，各有各的优势和应用领域。

第一代半导体以硅材料为主，应用极为广泛，其主要细分领域包括了集成电路、光电子、分立器件、传感器；从昂贵的英伟达显卡、苹果M1芯片，到只有几分钱一个的二极管都属于第一代半导体。

第二代半导体以砷化镓、磷化铟为代表，主要应用于移动通信、无线通信、光纤通信、LED、卫星导航等领域。

第三代半导体以氮化镓、碳化硅为代表，其主要应用于新能源电车、光伏、风电、5G通信等领域。

从整体产值规模来看，第三代半导体目前还是一个小众市场，第二代、第三代半导体市场占比加起来不过 10%。目前市场的大头仍然是第一代半导体材料。

审核编辑：郭婷