第一代、第二代和第三代半导体知识科普

半导体原材料经历了三个发展阶段：

第一阶段是以硅(Si)和锗(Ge)为代表的第一代半导体材料

第二阶段以砷化镓等化合物为代表磷化铟(磷化铟)

第三阶段是基于宽带半导体材料，如氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、硒化锌(ZnSe)

半导体材料与器件的发展史

材料领域中，第一代、第二代、第三代没有“一代更比一代好”的说法。氮化镓、碳化硅等材料在国外一般称为宽禁带半导体。 将氮化镓、氮化铝、氮化铟及其混晶材料制成氮化物半导体，或将氮化镓、砷化镓、磷化铟制成Ⅲ—Ⅴ族半导体。我国使用的“第三代半导体材料”一词，对应的是人类历史上大规模应用半导体材料所带来的三次产业革命。目前，第三代半导体发展迅速，第一、第二代半导体在工业中仍得到广泛应用，在第三代半导体中发挥着不可替代的作用。

那么第三代半导体与第一代、第二代相比有哪些进步呢?这三代半导体在威廉希尔官方网站 上有什么不同?为什么在第三代半导体中要选择GaN和SiC?

第三代半导体

第一代半导体材料

崛起时间：

20世纪50年代

代表性材料：

硅(Si)、锗(Ge)半导体材料

历史意义：

第一代半导体材料引发了以集成电路(IC)为核心的微电子领域的飞速发展

由于硅材料的窄禁带、低电子迁移率和击穿电场，使其在光电子学和高频大功率器件领域的应用受到许多限制。但第一代半导体具有较高的威廉希尔官方网站 成熟度和成本优势，在电子信息、新能源、硅光伏等行业领域仍有广泛应用。

第二代半导体材料

崛起时间：

20世纪90年代以来，随着移动通信的快速发展，以光纤通信和互联网为基础的信息高速公路的兴起，以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料开始涌现。。

代表性材料：

第二代半导体材料为化合物半导体。如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)。砷化镓铝。也有一些固溶体半导体，如Ge—Si、Ga As—GaP。玻璃半导体(又称非晶半导体)，如非晶硅、玻璃状氧化物半导体。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。与第一代半导体相比，砷化镓具有高频、耐辐射、耐高温等特点，因此被广泛应用于主流商用无线通信、光通信，以及国防军事等领域。

历史意义：

第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率和发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件和发光器件的优良材料。由于信息高速公路和互联网的兴起，还广泛应用于卫星通信、移动通信、光通信和GPS导航等领域。例如，与第一代半导体相比，砷化镓(GaAs)可用于光电子领域，特别是在红外激光器和高亮度红光二极管中。

进入21世纪以来，智能手机、新能源汽车、机器人等新兴电子威廉希尔官方网站 迅猛发展。与此同时，全球能源和环境危机也日益突出。材料的性能限制已不能满足科学威廉希尔官方网站 的需要，这就呼唤新材料的出现来代替。

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个氮化镓材料和器件，而我国最早的研究团队中国科学院半导体研究所也于1995年开始这方面的研究，并于2000年Make HEMT结构材料。

代表性材料：

第三代半导体材料主要是宽禁带(例如>2.3eV)以碳化硅(SiC)为代表的半导体，氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石和氮化铝(AlN)。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明确的推动下，应用领域的龙头企业纷纷开始使用第三代半导体威廉希尔官方网站 ，这进一步提振了行业信心，坚定了投资第三代半导体威廉希尔官方网站 路线的决心。

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、更高的电子饱和率和更高的耐辐射性，更适合制作耐高温、高频、大功率和耐辐射器件，并可广泛应用于高压、高频、高温和高可靠性领域，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。

半导体材料主要性能参数比较

第三代半导体

半导体主要材料及应用

在第三代半导体中，与GaN相比，SiC的开发早于GaN，其威廉希尔官方网站 成熟度也更高。两者之间的一个很大的区别是导热性，这使得SiC在高功率应用中占据了至高无上的地位。同时，由于GaN具有更高的电子迁移率，它可以比SiC或Si具有更高的开关速度。在高频应用中，GaN具有优势。

从下表中常用的“品质因数(FOM)”可以清楚地看到，SiC和GaN与前两代半导体材料相比，在功能和特性上都有了很大的提升。

GaN和SiC在材料性能方面各有优缺点，因此在应用领域上各有侧重，又有互补性。例如，GaN的高频Baliga值明显高于SiC，因此GaN的优点是在高频、小功率、集中在1000 V以下的领域，如通信基站、毫米波等。SiC的Keye优值明显高于GaN，所以SiC的优势在1200V以上的高温大功率领域，包括电力、高铁、电动汽车、工业电机等。在中低频率和中低功率领域，GaN和SiC都可以应用，与传统的硅基器件竞争。

第三代半导体---碳化硅(SIC)

SiC从20世纪70年代开始发展。2001年SiCSBD商用，2010年SiCMOSFET商用。SiCIGBT仍在开发中。SiC可以大幅度降低功率转换中的开关损耗，因此具有更好的能量转换效率，更容易实现模块的小型化，也更耐高温。

碳化硅功率器件的主要应用领域：智能电网、交通运输、新能源汽车、光伏、风力发电。新能源汽车是SiC功率器件市场的关键增长动力。目前，SiC器件主要应用于新能源汽车的动力控制单元(PCU)。最高同时在线控制单元，逆变器，直流—直流转换器，车载充电器等。

2017年，全球碳化硅电力半导体市场总额达3.99亿美元。。预计到2023年，SiC功率半导体的总市场规模将达到16.44亿美元。

第三代宽禁带半导体材料可广泛应用于各个领域，如消费电子、照明、新能源汽车、导弹、卫星等，具有许多可突破第一、二代半导体材料发展瓶颈的优异性能。因此受到市场的青睐同时随着威廉希尔官方网站 的发展有望完全取代第一代和第二代半导体材料。

新的基础设施为国内半导体厂商提供了巨大的发展机遇：我国在第三半导体材料方面起步比较晚，其威廉希尔官方网站 水平与国外相比也比较低。这是一个弯道超车的机会，但还有很多困难和挑战需要我们去面对。

Keep Tops以GaN 核心射频半导体支持5G基站和工业互联网系统建设。以碳化硅和IGBT为核心的功率半导体，支撑新能源汽车、充电桩、基站/数据中心电源、特高压和轨道交通系统建设。以人工智能芯片为核心的SOC芯片支持数据中心和人工智能系统的建设。

不难看出，领先的氮化镓和碳化硅第三代半导体是支持“新基础设施”的核心材料。Keep Tops在“新基础设施”和国产替代的支持下，国内半导体厂商将迎来巨大的发展机遇。

审核编辑：汤梓红