什么是第三代半导体？

第三代半导体是以碳化硅SiC、氮化镓GaN为主的宽禁带半导体材料，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率、可承受大功率等特点。

一、二、三代半导体什么区别？什么又叫做宽禁带呢？

一、材料

第一代半导体材料，发明并实用于20世纪50年代，以硅（Si）、锗（Ge）为代表，特别是硅，构成了一切逻辑器件的基础。我们的CPU、GPU的算力，都离不开硅的功劳。

第二代半导体材料，发明并实用于20世纪80年代，主要是指化合物半导体材料，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表。其中砷化镓在射频功放器件中扮演重要角色，磷化铟在光通信器件中应用广泛……

而第三代半导体，发明并实用于本世纪初年，涌现出了碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）等具有宽禁带（Eg＞2.3eV）特性的新兴半导体材料，因此也被成为宽禁带半导体材料。

半导体的禁带宽度介于导体和绝缘体之间。宽禁带半导体就是禁带宽度大于传统半导体的一种半导体材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。如果禁带宽度再宽一点，就被称为超宽禁带半导体，如氮化铝镓（AlGaN）、氧化镓（Ga2O3）等。

二、带隙

第一代半导体材料，属于间接带隙，窄带隙；

第二代半导体材料，直接带隙，窄带隙；

第三代半导体材料，宽禁带，全组分直接带隙。

和传统半导体材料相比，更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。

三、应用

第一代半导体材料主要用于分立器件和芯片制造；

第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的优良材料，广泛应用在微波通信、光通信、卫星通信、光电器件、激光器和卫星导航等领域。第三代半导体材料广泛用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件，应用于半导体照明、5G通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空航天等领域。

第三代半导体材料已被认为是当今电子产业发展的新动力。以第三代半导体的典型代表碳化硅（SiC）为例，碳化硅具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点，使得其器件适用于高频高温的应用场景，相较于硅器件，碳化硅器件可以显著降低开关损耗。

因此，碳化硅可以制造高耐压、大功率的电力电子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能电网、新能源汽车等行业。与硅元器件相比，氮化镓具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高的电子迁移率的特点，是超高频器件的极佳选择，适用于5G通信、微波射频等领域的应用。

第三代半导体材料具有抗高温、高功率、高压、高频以及高辐射等特性，相比第一代硅基半导体可以降低50%以上的能量损失，同时使装备体积减小75%以上。第三代半导体属于后摩尔定律概念，制程和设备要求相对不高，难点在于第三代半导体材料的制备，同时在设计上要有优势。

宽禁带半导体优势：

（1）导通电阻是硅器件的近1/1000（在相同的电压/电流等级下），可以大大降低器件的导通损耗；

（2）开关频率是硅器件的10余倍，可以大大减小电路中储能元件的体积，从而成倍地减小设备体积，减少贵重金属等材料的消耗；

（3）理论上可以在600℃以上的高温环境下工作，并有抗辐射的优势，可以大大提高系统的可靠性，在能源转换领域具有巨大的技术优势和应用价值。

通过对比，宽禁带半导体材料碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）相较于传统的半导体材料硅（Si）拥有更高的临界电场强度、更高的热导率和更大的饱和电子漂移速率，材料性能可以说是单方面碾压传统半导体材料硅（Si）。宽禁带半导体材料的这些优异性能，使得利用宽禁带半导体材料制作的半导体功率器件更能满足现代工业对于高功率、高电压、高频率、小体积的需求。

SiC器件的应用：

SiC功率器件在电力转换需求频繁、对电力转换组件有体积或质量要求、相对高温的使用环境上有得天独厚的优势。

在新能源汽车领域，采用SiC功率器件可以提升电池的能量利用率，同时可减少电力转化模块的体积和质量、节省散热组件，从而实现整车轻量化，综合来看，使新能源汽车在同样的电池容量下实现了更高的续航里程。另外，在高频次使用的直流充电桩上更适合应用SiC功率器件，以降低电能损耗、节省充电桩体积、提高充电速率、延长设备使用寿命。

在绿色能源领域，光伏发电并入电网需要将直流电逆变成交流电，这个过程需要功率器件参与，采用SiC功率器件可直接提升电能的转化效率，增加其并网发电收入。风力发电的电能转换过程需要经过整流、逆变两步，采用SiC功率器件能更好地提升风能的利用效率。同时，SiC功率器件更耐受极端环境，更适合光伏、风力发电领域。

在轨道交通领域中，已有多家公司和科研院所都关注SiC器件在牵引变流器系统中的应用研究，一些机构已经将产品市场化并在轨道列车上安装运行。得益于已有的解决方案，与传统系统相比，铁路车辆系统的总能耗降低了约30%。与具有IGBT功率模块的传统逆变器系统相比，尺寸和质量减小约65%，与具有SiC二极管的现有混合逆变器系统相比减小约30%。

在大型服务器、数据中心中，因为SiC功率器件在电能转换上的高效率、耐高温、使用寿命长的特性，在IT应用中能节省大量能耗、替换维护成本。

此外，在家电、军工、航空航天、工业控制、智能电网等诸多领域SiC功率器件也有初步使用或研发跟进，总体上市场对高性能的SiC功率器件保持持续的需求增长状态

GaN器件的应用：

GaN材料的应用领域非常广泛，从LED照明到电力电子设备，再到射频通信，都有其身影。特别是在5G通信网络和雷达系统中，GaN基射频器件已成为不可或缺的关键组件。在电力电子设备领域，GaN材料通过实现体积和重量的显著减少，有效解决了高功率密度与小型化设计的矛盾。因此，GaN现在已经成为轻薄型笔记本电脑和快速充电手机等消费电子产品中的首选材料。