研究機構：“全球碳化硅、氮化鎵功率半導體市場預計2022年將達到18.4億美元，2025年會進一步增長到52.9億美元”。那么什么是半導體呢？今天就讓我們來好好了解一下。

01 什么是半導體

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、光伏發電、照明應用、大功率電源轉換等領域應用。

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

今日大部分的電子產品，如計算機、移動電話或是數字錄音機當中的核心單元都和半導體有著極為密切的關聯。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，在商業應用上最具有影響力的一種。

定義

物質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。可以簡單的把介于導體和絕緣體之間的材料稱為半導體。

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

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。從科學技術和經濟發展的角度 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。

02 半導體的發展史

英國科學家電子學之父法拉第最先發現硫化銀的電bai阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但法拉第發現硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導體現象的首次發現。

1839

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

1873

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。

1874

德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，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，舒斯特又發現了銅與氧化銅的整流效應。

半導體的這四個特性，雖在1880年以前就先后被發現了，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。

03 三代半導體的區別

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了集成電路（IC）為核心的微電子領域迅速發展。

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成熟度較高且具有成本優勢，仍廣泛應用在電子信息領域及新能源、硅光伏產業中。

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展、以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯網的興起,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（又稱非晶態半導體），如非晶硅、玻璃態氧化物半導體；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。因信息高速公路和互聯網的興起，還被廣泛應用于衛星通訊、移動通訊、光通信和GPS導航等領域。如相比于第一代半導體，砷化鎵（GaAs）能夠應用在光電子領域，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展迅速，同時全球能源和環境危機突出，能源利用趨向低功耗和精細管理，傳統的第一、二代半導體材料由于自身的性能限制已經無法滿足科技的需求，這就呼喚需要出現新的材料來進行替代。

第三代半導體材料

起源時間：美國早在1993年就已經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結構材料。

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。

發展現狀：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，應用領域的頭部企業已開始使用第三代半導體技術，也進一步提振了行業信心和堅定對第三代半導體技術路線的投資。

性能分析：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域，包括射頻通信、雷達、衛星、電源管理、汽車電子、工業電力電子等。

第三代半導體中，SiC 與 GaN 相比較，前者相對 GaN 發展更早一些，技術成熟度也更高一些；兩者有一個很大的區別是熱導率，這使得在高功率應用中，SiC占據統治地位；同時由于GaN具有更高的電子遷移率，因而能夠比SiC 或Si 具有更高的開關速度，在高頻率應用領域，GaN具備優勢。

第一、二代半導體技術長期共存：現階段是第一、二、三代半導體材料均在廣泛使用的階段。第二代的出現沒有取代第一代的原因是兩者在應用領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，取各自的優點，從而生產出符合更高要求的產品。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域，消費電子、照明、新能源汽車、導彈、衛星等，且具備眾多的優良性能可突破第一、二代半導體材料的發展瓶頸，故被市場看好的同時，隨著技術的發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業發明并實用于本世紀初年，各國的研究和水平相差不遠，國內產業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、實現芯片技術追趕和超車的良機。回顧半導體發展的輝煌歷史，也在一定程度上代表了人類的文明史。如果說機械的發展解放了人類的勞動力，那么半導體的發展則解放了人類的計算力。而且半導體的發展勢頭絕不會就此停歇，必將隨著科技的發展大放異彩，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。

審核編輯：郭婷