BBIN BBIN宝盈科技简章050-第三代半导体到底是什么东西

　　本来要继续写操作系统，但最近鼓吹第三代半导体的文章太多所以插播科普一下。

　　看过我文章的读者应该都知道，最早的半导体材料是锗。从60年代开始硅取代了锗成为半导体的主要材料，这算是第一代半导体。这里简单再说一下为什么从锗换成了硅。

　　总不能好不容易搞掺杂制作出了N型和P型半导体，结果一热就掺杂了个寂寞吧。

　　所谓掺杂，纯净的半导体称为本征半导体，大概一亿个原子才派一个原子贡献一个导电电子，因此其导电能力非常低。所以人们就在大概百万个半导体原子中加入一个杂质原子来极大程度上改变半导体的导电性能。

　　在半导体中加入5价元素，比如磷、锑、砷等等，就会形成以电子导点为主的半导体。电子带负电，所以这种半导体称为N型半导体，取英文Negative的第一个字母来表示。加入3价元素，比如硼、稼、铟等，在电场的作用下就主要是空穴电流。空穴电流带正电荷，这种半导体就被称为P型半导体，用Positive的第一个字母表示。

　　当把N型和P型半导体通过一定工艺结合在一起，在两种半导体的交界面就形成了前文所说的PN结。PN结具有单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的特性，也是其工作的物质基础。

　　由于锗受热以后会变成本征状态，所以基本上，锗在75摄氏度以上就不工作了。现在的手机、计算机、汽车电子一跑起来烧到75摄氏度根本就不是事儿。

　　这种情况如果还是用锗的话，那估计手机就会跟砖差不多大，必须得加冷却系统啊。加了冷却系统你还不得给它供电，那电池也小不了。

　　锗材料在地壳中含量很少，大概不到百万分之二，而且分布很分散，不利于开采。成品锗，还没做成半导体材料哦，价格就已经肩比白银。若是用锗的线手机，一对肾也要不起。硅就不一样，占了地壳元素含量的27.7%。材料获取很容易，这就是沙子，一抓一大把。若是不算工艺成本，这材料几乎就是不要钱。

　　第三、锗的氧化物非常不稳定。在400度以上还容易发生解析反应，导致器件制作难度大、稳定性差、且容易出现大的栅漏电流。

　　第四、锗的禁带宽度只有0.66ev，而硅有1.12eV。这就导致锗器件比较容易被击穿，静态功耗就大了。

　　砷化镓技术发展最成熟，因其宽禁带、直接带隙和高电子迁移率的特点，适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件和通信器件器件等。砷化镓主要应用领域为通信，比如光纤通讯、卫星通讯、微波通讯等等。但这两种化合材料的原料稀缺，需通过合成形成，价格相对较高。而且对环境危害性较大，使其难以被更广泛应用，逐渐被第三代半导体材料取代。

　　2020年左右，氮化镓和碳化硅成为成熟的第三代半导体材料，又称宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2ev）。除此之外还有氧化锌、金刚石、氮化铝这些半导体材料的研究还处于起步阶段。

　　氮化镓、碳化硅能够大幅提升电子器件的高压、高频、高功率的工作特性，在军事、新能源、电动汽车等领域具有非常大的应用前景。目前新的特斯拉已经采用了碳化硅材料的器件，2020年小米也推出了氮化镓快速充电器。

　　在通信方面，未来当5G标准频率超过40GHz时，第二代材料砷化镓将无法负荷，必须采用第三代的氮化镓。但单晶的氮化镓价格很高，2英寸要2万多块，是同面积硅材料的数十倍。

　　所以，在实际的商业方案中通常采用硅作为“底衬”，在外延上生长氮化镓来大幅度降低成本。而外延生长技术50年代末60年代初就开始有了，现在已经挺成熟的了。

　　虽然这种方式在性能上与单晶氮化镓有差距，但基本能满足主流市场的需求。除非是军工、航天、安防这种要求特殊的领域。

　　但总的来说硅还是半导体的主流材料，目前90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的。未来十年，会朝硅和硅底衬化合物的方向，硅仍然是核心材料。