科学认识中国“第三代”半导体产业

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2021-7-2 12:50:45


前几天,一则报道引起了国内A股市场、媒体圈和芯片圈的热议。报道称,中国制定了“第三代半导体”发展推进计划,并为该计划准备了约1万亿美元的资金。

随后,部分媒体对第三代半导体产业争相报道。芯片圈再次受到媒体和资本的热烈关注。A股半导体股的狂欢,A股半导体板块大涨,半导体行业指数中46只成分股全部飘红,38只成分股涨幅超过5%。

这是继芯片、光刻机之后,又一个全民受到教育的半导体专业词汇。第三代半导体到底有多神?中国的第三代半导体产业有哪些优势和劣势?我们该如何前行发展?要搞清楚这一切,先让我们从认识第三代半导体开始。

一、何为第三代半导体?

业内所说的第三代半导体包括,氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)等,主要应用有三大方面:光电子、电力电子和无线射频。应用量最大、被大家提及最多的就是氮化镓和碳化硅。碳化硅主要应用于电力电子、电动汽车、充电桩、新能源等领域;氮化镓则主要用于光电子产品如LED,以及功率放大器等产品上。

实际上,第三代半导体的叫法并不严谨,国际规范的用法不使用第几代来表示,而是用宽禁带表示。第三代半导体是指的是禁带宽度大于2.2eV的半导体材料,而当前主流的半导体材料硅的禁带宽度是大约是1.12eV(eV即电子伏特,能量单位,表示一个电子经过1V的电位差加速后所获的动能)。

我们知道,物质要导电需要有自由电子或者空穴存在,自由电子存在的能带称为导带,自由空穴存在的能带称为价带。被束缚的电子要想成为自由电子或者空穴,必须获得足够能量从价带跃迁到导带,这个能量的最小值就是禁带宽度。禁带宽度对于半导体器件性能的影响非常大,它直接决定着器件的耐压和最高工作温度。

因此,第三代半导体拥有着这些性能优势:耐高压、耐高温、大功率、导电性能强、工作速度快、工作损耗低。速度快,开关频率高。

之所以“第三代半导体”这个概念会流行,主要是“宽禁带”这一行业术语较为晦涩,难以理解。不过,“第三代半导体”也确实让人们产生了一种错觉:第三代比第一代强。

二、它比第一代、第二代半导体更先进吗?

从1833年,法拉第发现硫化银材料的电阻随着温度的上升而降低,与金属材料性质大有不同开始,人类对半导体的研究应用正式拉开了序幕,至今已近200年时间。

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