1、什么是半導體

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介紹

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

如二極管就是采用半導體制作的器件。無論從科技或是經(jīng)濟發(fā)展的角度來看，半導體的重要性都是非常巨大的。

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

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定義

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。

而把導電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體?？梢院唵蔚陌呀橛趯w和絕緣體之間的材料稱為半導體。

與導體和絕緣體相比，半導體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術(shù)改進以后，半導體的存在才真正被學術(shù)界認可。

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

2、半導體的發(fā)展史

1833年

英國科學家電子學之父法拉第最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電bai阻隨看溫度的變化青況不同于一般金屬，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看溫度的上升而降低。這是半導體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。

1869年

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

1873年

英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應，這是半導的第三種特性。

1874年

德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電尋與所加電場的方向有關(guān)，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電，這就是半導體的整流效應，也是半導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

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

3、三代半導體的區(qū)別

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第一代半導體材料

興起時間：

二十世紀五十年代

代表材料：

硅（Si）、鍺元素（Ge）半導體材料。

歷史意義：

第一代半導體材料引發(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較低，Si 在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應用受到諸多限制。但第一代半導體具有技術(shù)成熟度較高且具有成本優(yōu)勢，仍廣泛應用在電子信息領(lǐng)域及新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中。

02

第二代半導體材料

興起時間：

20世紀九十年代以來,隨著移動通信的飛速發(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體材料開始嶄露頭角。

代表材料：

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

性能特點：

以砷化鎵為例，相比于第一代半導體，砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性，因此廣泛應用在主流的商用無線通信、光通訊以及國防軍工用途上。

歷史意義：

第二代半導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，還被廣泛應用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信和GPS導航等領(lǐng)域。如相比于第一代半導體，砷化鎵（GaAs）能夠應用在光電子領(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世紀開始，智能手機、新能源汽車、機器人等新興的電子科技發(fā)展迅速，同時全球能源和環(huán)境危機突出，能源利用趨向低功耗和精細管理，傳統(tǒng)的第一、二代半導體材料由于自身的性能限制已經(jīng)無法滿足科技的需求，這就呼喚需要出現(xiàn)新的材料來進行替代。

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第三代半導體材料

起源時間：

美國早在1993年就已經(jīng)研制出第一支氮化鎵的材料和器件，而我國最早的研究隊伍——中國科學院半導體研究所在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、光伏逆變器等應用需求的明確牽引下，目前，應用領(lǐng)域的頭部企業(yè)已開始使用第三代半導體技術(shù)，也進一步提振了行業(yè)信心和堅定對第三代半導體技術(shù)路線的投資。

性能特點：

與第一代和第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度(>2.2eV)、更高的擊穿電場、更高的熱導率、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、衛(wèi)星、電源管理、汽車電子、工業(yè)電力電子等。

第三代半導體中，SiC 與 GaN 相比較，前者相對 GaN 發(fā)展更早一些，技術(shù)成熟度也更高一些；兩者有一個很大的區(qū)別是熱導率，這使得在高功率應用中，SiC占據(jù)統(tǒng)治地位；同時由于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，在高頻率應用領(lǐng)域，GaN具備優(yōu)勢。

4、總結(jié)

第一、二代半導體技術(shù)長期共存：現(xiàn)階段是第一、二、三代半導體材料均在廣泛使用的階段。第二代的出現(xiàn)沒有取代第一代的原因是兩者在應用領(lǐng)域都有一定的局限性，因此在半導體的應用上常常采用兼容手段將這二者兼容，取各自的優(yōu)點，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：第三代寬禁帶半導體材料，可以被廣泛應用在各個領(lǐng)域，消費電子、照明、新能源汽車、導彈、衛(wèi)星等，且具備眾多的優(yōu)良性能可突破第一、二代半導體材料的發(fā)展瓶頸，故被市場看好的同時，隨著技術(shù)的發(fā)展有望全面取代第一、二代半導體材料。

由于第三代半導體材料及應用產(chǎn)業(yè)發(fā)明并實用于本世紀初年，各國的研究和水平相差不遠，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和專家認為第三代半導體材料成了我們擺脫集成電路（芯片）被動局面、實現(xiàn)芯片技術(shù)追趕和超車的良機?；仡櫚雽w發(fā)展的輝煌歷史，也在一定程度上代表了人類的文明史。如果說機械的發(fā)展解放了人類的勞動力，那么半導體的發(fā)展則解放了人類的計算力。而且半導體的發(fā)展勢頭絕不會就此停歇，必將隨著科技的發(fā)展大放異彩，對我們每個人來講，未來的半導體，未來的世界，值得我們期待。

SiC MOSFET的優(yōu)勢

SiC MOSFET相比于IGBT具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等特點，尤其適合對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件要求較高的應用。

功率密度是器件技術(shù)價值的一個重要方面。SiC MOSFET芯片面積比IGBT小很多，譬如100A/1200V的SiC MOSFET芯片大小大約是IGBT與續(xù)流二極管之和的五分之一。因此，在高功率密度和高速電機驅(qū)動應用中，SiC MOSFET的價值能夠得到很好的體現(xiàn)。在耐高壓方面，1200V以上高壓的SiC高速器件，可以通過提高系統(tǒng)的開關(guān)頻率來提高系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)功率密度。這里舉兩個例子：

1、電動汽車直流充電樁的功率單元，如果采用Si MOSFET，則需要兩級LLC串聯(lián)，電路復雜，而如果采用SiC MOSFET，單級LLC就可以實現(xiàn)，從而大大提高充電樁的功率單元單機功率。

2、母線電壓為1000V-1500V系統(tǒng)中的反激式電源，1700V SiC MOSFET也是完美的解決方案，可以比1500V硅MOSFET損耗降低50%，提高效率2.5%。

圖1 單端反激的效率比較

（數(shù)據(jù)摘自網(wǎng)絡)

正是由于SiC MOSFET這些出色的性能，其在光伏逆變器、UPS、ESS、電動汽車充電、燃料電池、電機驅(qū)動和電動汽車等領(lǐng)域都有相應的應用。因此，碳化硅作為第三代半導體，在發(fā)展過程中必然是與硅器件相伴而行，畢竟與硅基器件行業(yè)相比，第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展時間相對較短，在標準化、成熟度等方面還有很長的路要走，尤其是在品質(zhì)與長期可靠性方面，還有大量的研究和驗證工作要做。

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