【材制｜视角】未来生活的钥匙——第三代半导体

  初原载于  爱学习的  青春材制

2021-10-08

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         犹记2020 年 9 月 4 日，一则 “我国将把大力发展第三代半导体产业写入‘十四五’规划”的重磅消息引爆证券市场，引起第三代半导体概念股集体冲高涨停，其场面之宏大令人叹为观止。

        第三代半导体是如何工作的？为何它会突然跃入大众眼帘并且“身价暴涨”？在现今中国芯片产业被美国强势打压的情形下，第三代半导体又会在这场没有硝烟的战争中起到什么决定性的作用？......

        在研究这些问题之前，让我们先从基层入手，聊聊“半导体究竟是什么”。

一、初探半导体

　　在我们的日常生活中，半导体的应用广泛，几乎处处可见。如发光二极管（如图1），或者这样的“热敏电阻”（如图2）。

        能发光、变电阻的半导体是何方神圣?

        答：半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。

        你可能会想:一个普通的材料而已，有什么好了解的？然而，今天要介绍的这位“嘉宾”，是一个以后很可能屡次出现在5G、新能源汽车、工业4.0领域前沿新闻的“新兴红人”。

        虽然它名为第三代半导体，但与其大哥、二哥相比并不具有“后一代优于前一代”的说法。需要强调的是，第三代半导体和第二代、第一代之间不是迭代关系，它们的应用场景有交叉，但不完全重合。　

        我国采用的第三代半导体材料的说法是与人类历史上的由半导体材料大规模应用带来的三次产业革命相对应。

二.第三代半导体介绍

        和第一代和第二代半导体材料相比，第三代半导体材料的特点在于具有更宽的禁带宽度。

等等，啥是禁带宽度？

　　实际上，被束缚的电子要成为自由电子或者空穴，从价带跃迁到导带获得的最小能量值就是禁带宽度。举个栗子，就好比你从五楼下到一楼，所消耗的最小能量称为“跳楼高度”。

　　第一代半导体于二十世纪五十年代，以硅、锗为主要材料，主要用于大规模集成电路。由于高频及无线通信领域的需要，第二代半导体于二十世纪九十年代出现磷化镓，磷化铟, 砷化镓，其电子迁移率高，禁带宽度较大，很好的满足了需求。随着科技的发展，人类需要禁带宽度更宽的半导体用于抗辐射，高频，大功率电子器件，以SiC，GaN为代表的第三代半导体便应运而生。

三．组成材料及具体应用

1）氮化镓

 　　应用优势：体积小、高频高功率、低能耗速度快。

2）碳化硅

        碳化硅主要应用领域在电网、轨道交通、电动汽车及充电桩领域。                          

        最近很火的特斯拉model3采用了意法半导体的24个碳化硅MOSFET模块，对比硅基的IGBT续航可以提升5-10%。

        5G通信将是GaN射频器件市场的主要增长驱动因素。GaN射频器件对于整个天线系统的功耗和尺寸都有巨大的改进。

        VR\AR的核心是VCSEL激光器，它也用到了氮化镓。

        华为麒麟芯片同样也应用了第三代半导体技术。

四、发展前景

　　随着第三代半导体的不断发展，人工智能，无人驾驶，工业4.0将再创新高，人工智能更富人性，无人驾驶更加安全，工厂作业更加高效，物联网将会在不久后实现，我们的生活将更加方便快捷。

        2017年全球功率半导体市场规模为327亿美元，预计到2022年达到426亿美元。而在氮化镓的应用领域，如果搭配碳化硅的衬底，性能会更优异。

        回想起开头谈到的新闻：资本市场也许少不了噱头和泡沫，但我们始终相信，中国制造业不断升级的目标不会改变。漫漫长路虽无法避免艰难险阻，但当第三代半导体产业这种时代机遇到来之时，我们必须把握，这样才能无限接近于成功。

参考文献：

[1]雪球 龙虎虎《第三代半导体材料的王者，氮化镓or碳化硅？》

[2]CSDN 《第一、二、三代半导体的区别在哪里？》

[3]百度百科《第一、二、三代半导体》

[4]有关图片来源于网络

撰 稿 人： 科技协会科创部       刘超 李梦沁 刘鑫禹

责任编辑： 科技协会执行主席   马浩然

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