01、第一代半導體材料

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生氧化還原反應，生成氧化鍺，產生較多缺陷，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，縱然硅與鍺已經為分立器件，集成電路等的開發打下了夯實的基礎，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次科研的經驗，創造出了第二代半導體材料。

02、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展、以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯網興起。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、無線區域網絡、衛星通訊、衛星定位等皆有應用；

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光領域，如發光二極管（LED）、激光二極管（LD）、光接收器（PIN）及太陽能電池等產品。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、大功率以及發光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料，廣泛應用于衛星通訊、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，自然環境，乃至接觸的物質產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，英國的史密斯發現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。

03、半導體的材料

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“充電5分鐘續航200公里”的提升，還由此引發了“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、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。

04、小結

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”的稱呼容易讓人產生錯覺。實際上，這并非是一個更新換代，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。

從整體產值規模來看，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。

審核編輯：郭婷