什么是第三代半导体？包你能看懂

作者/朱公子

第三代半导体

我估摸着只要是炒股或者是关注二级市场的朋友们，这几天一定都没少听这词儿，如果不是大盘这几天实在是太惨了，估计炒作行情会比现在强势的多得多。

那到底这所谓的第三代半导体，到底是个什么玩意？值不值得炒？未来的逻辑在哪儿？

接下来，只要您能耐着性子好好看，我保证给它写的人人都能整明白，这可比你天天盯着大盘有意思的多了！

一、为什么称之为第三代半导体？

1、重点词

客官们就记住一个关键词—— 材料 ，这就是前后三代半导体之间最大的区别。

2、每一代材料的简述

①第一代半导体材料： 主要是指硅（Si）、锗元素（Ge）半导体材料。

兴起时间： 二十世纪五十年代。

代表材料： 硅（Si）、锗（Ge）元素半导体材料。

应用领域： 集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业。

历史 意义： 第一代半导体材料引发了以集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。

对于第一代半导体材料，简单理解就是：最早用的是锗，后来又从锗变成了硅，并且几乎完全取代。

原因在于： ①硅的产量相对较多，具备成本优势。②技术开发更加完善。

但是，到了40纳米以下，锗的应用又出现了，因为锗硅通道可以让电子流速更快。现在用的锗硅在特殊的通道材料里会用到，将来会涉及到碳的应用，下文会详细讲解。

②第二代半导体材料： 以砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）为代表，是4G时代的大部分通信设备的材料。

兴起时间： 20世纪九十年代以来,随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起,以砷化镓、锑化铟为代表的第二代半导体材料开始崭露头角。

代表材料： 如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。

应用领域： 主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。

因信息高速公路和互联网的兴起，还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和 GPS 导航等领域。

性能升级： 以砷化镓为例，相比于第一代半导体，砷化镓具有高频、抗辐射、耐高温的特性。

总结： 第二代是使用复合物的。也就是复合半导体材料，我们生活中常用的是砷化镓、磷化铟这一类材料，可以用在功放领域，早期它们的速度比较快。

但是因为砷含剧毒！所以现在很多地方都禁止使用，砷化镓的应用还只是局限在高速的功放功率领域。而磷化铟则可以用来做发光器件，比如说LED里面都可以用到。

③第三代半导体材料： 以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）、金刚石为四大代表，是5G时代的主要材料。

起源时间： M国早在1993年就已经研制出第一支氮化镓的材料和器件。而我国最早的研究队伍——中国科学院半导体研究所，在1995年也起步了该方面的研究。

重点： 市场上从半年前炒氮化镓的充电器时，市场的反应一直不够强烈，那是因为当时第三代半导体还没有被列入国家“十四五”这个层级的战略部署上，所以单凭氮化镓这一个概念，是不足以支撑整个市场逻辑的！

发展现状： 在5G通信、新能源 汽车 、光伏逆变器等应用需求的明确牵引下，目前，应用领域的头部企业已开始使用第三代半导体技术，也进一步提振了行业信心和坚定对第三代半导体技术路线的投资。

性能升级： 专业名词咱们就不赘述了，通俗的说，到了第三代半导体材料这儿，更好的化合物出现了，性能优势就在于耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低。

有一点我觉得需要单独提一下：碳化硅与氮化镓相比较，碳化硅的发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率：在高功率应用中，碳化硅占据统治地位；氮化镓具有更高的电子迁移率，因而能够比碳化硅具有更高的开关速度，所以在高频率应用领域，氮化镓具备优势。

第三代半导体的应用

咱们重点说一说碳化硅 。碳化硅在民用领域应用非常广泛：其中电动 汽车 、消费电子、新能源、轨道交通等领域的直流、交流输变电、温度检测控制等。

咱先举两个典型的例子：

1.2015年，丰田 汽车 运用碳化硅MOSFET的凯美瑞试验车，逆变器开关损耗降低30%。

2.2016年，三菱电机在逆变器上用到了碳化硅，开发出了全世界最小马达。

而其他军用领域上，碳化硅更是广泛用于喷气发动机、坦克发动机、舰艇发动机、风洞、航天器外壳的温度、压力测试等。

为什么我说要重点说说碳化硅呢？因为半导体产业的基石正是 芯片 ，而碳化硅，正因为它优越的物理性能，一定是将来 最被广泛使用在制作半导体芯片上的基础材料 ！

①优越的物理性能：高禁带宽度（对应高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率。而且，碳化硅MOSFET将与硅基IGBT长期共存，他们更适合应用在高功率和高频高速领域。

②这里穿插了一个陌生词汇：“禁带宽度”，这到底是神马东西？

这玩意如果解释起来，又得引申出如“能带”、“导带”等一系列的概念，如果不是真的喜欢，我觉得大家也没必要非去研究这些，单说在第三代半导体行业板块中，能知道这一个词，您已经跑赢90%以上的小散了。

客观们就主要记住一个知识点吧： 对于第三代半导体材料，越高的禁带宽度越有优势 。

③主要形式：“衬底”。半导体芯片又分为：集成电路和分立器件。但不论是集成电路还是分立器件，其基本结构都可划分为“衬底 -外延-器件”结构，而碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。

④生产工艺流程：

原料合成——晶体生长——晶锭加工——晶体切割——晶片研磨——晶片抛光——晶片检测——晶片清洗

总结：晶片尺寸越大，对应晶体的生长与加工技术难度越大，而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。目前国际碳化硅晶片厂商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片，CREE、II-VI等国际龙头企业已开始投资建设8英寸碳化硅晶片生产线。

⑤应用方向：科普完知识、讲完生产制造，最终还是要看这玩意儿怎么用，俩个关键词：功率器件、射频器件。

功率器件： 最重要的下游应用就是—— 新能源 汽车 ！

现有技术方案：每辆新能源 汽车 使用的功率器件价值约700美元到1000美元。随着新能源 汽车 的发展，对功率器件需求量日益增加，成为功率半导体器件新的增长点。

新能源 汽车 系统架构中，涉及到功率器件包括——电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC）和非车载充电桩。碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器。

另外还应用领域也包括——光伏发电、轨道交通、智能电网、风力发电、工业电源及航空航天等领域。

射频器件： 最重要的下游应用就是—— 5G基站 ！

微波射频器件，主要包括——射频开关、LNA、功率放大器、滤波器。5G基站则是射频器件的主要应用方向。

未来规模：5G时代的到来，将为射频器件带来新的增长动力！2025年全球射频器件市场将超过250亿美元。目前我国在5G建设全球领先，这也是对岸金毛现在狗急跳墙的原因。

我国未来计划建设360万台-492万台5G宏基站，而这个规模是4G宏基站的1.1-1.5倍。当前我国已经建设的5G宏基站约为40万台，未来仍有非常大的成长空间。

半导体行业的核心

我相信很多客官一定有这样的疑问： 芯片、半导体、集成电路 ，有什么区别？

1.半导体：

从材料方面说 ，教科书上是这么描述的：Semiconductor，是常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的一类材料；

按功能结构区分， 半导体行业可分为：集成电路（核心）、分立器件、光电器件及传感器四大类。

2.集成电路（IC， integrated circuit）：

最经典的定义就是：将晶体管、二极管等等有源元件、电阻器、电容器等无源元件，按照一定的电路互联，“集成”在一块半导体单晶片上，从而完成特定的电路或者系统功能。

3.芯片：

半导体元件产品的统称 ，是指内含集成电路的硅片，是集成电路的载体，由晶圆分割而成。硅片是一块很小的硅，内含集成电路，它是计算机或者其他电子设备的一部分。

为什么说集成电路，是半导体行业的核心？ 那是因为集成电路的销售比重，基本保持在半导体销售额的80%。

比如，2018年全球4700亿美元的半导体销售额中，集成电路共计3900亿美元，占比达84%。

第三代半导体的未来方向

中国半导体业进入IDM模式是大势所趋，其长久可持续性我非常认可。但是讲到IDM，又有一堆非常容易混淆的概念，篇幅实在是太长了，咱们就不再拆分来讲了，你只要知道IDM最牛逼就完事了！

IDM： 直译：Integrated Design and Manufacture， 垂直整合制造 。

1.IDM企业： IDM商业模式，就是国际整合元件制造商模式。其厂商的经营范围涵盖了IC设计、IC制造、封装测试等各个环节，甚至也会延伸到下游电子终端。典型厂商：Intel、三星、TI（德州仪器）、东芝、ST（意法半导体）等。

2.IDM模式优势：

（1）IDM模式的企业，内部有资源整合优势，从IC设计到IC制造所需的时间较短。

（2）IDM企业利润比较高。根据“微笑曲线”原理，最前端的产品设计、开发与最末端的品牌、营销具有最高的利润率，中间的制造、封装测试环节利润率较低。

（3）IDM企业具有技术优势。大多数的IDM企业都有自己的IP（知识产权），技术开发能力比较强，具有技术领先优势。

3.IDM重要性

IDM的重要性是不需要用逻辑去判断的，全球集成电路市场的60%由IDM企业所掌握。比如三星电子、恩智浦、英飞凌、NXP等。

4.中国为什么要发展IDM模式？

IDM模式的优势： 产业链内部直接整合、具备规模效应、有效缩短新产品上市时间、并将利润点留在企业内部。

市场的自然选择： 此外，中国已成为全球最大的集成电路消费市场，并具有丰富的劳动力资源，对于发展自有品牌的IDM具有市场优势和成本优势。

现在，无论是被M国的封锁倒逼出来，还是我们自主的选择，我们都必须开拓出一条中国IDM发展之路！

现状： 目前国内现有的所谓IDM，其制造工艺水平和设计能力相当低，比较集中在功率半导体，产品应用面较窄，规模做不大。我知道，这些事实说出来挺让人沮丧的，但这就是事实。

但正因为我们目前处在相对落后的阶段，才更加需要埋头苦干、咬牙追赶，然后一举拿下！

本来写这篇文章的时候不想说股的，但还是提几只吧，也算是给咱们国家的半导体事业做一点点微小的贡献。

射频类相关优质标的：卓胜微、中天 科技 、和而泰、麦捷 科技 ；

IDM相关优质标的：中环股份、上海贝岭、长电 科技 。

1.第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗元素（Ge）半导体材料。作为第一代半导体材料的锗和硅，在国际信息产业技术中的各类分立器件和应用极为普遍的集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用，硅芯片在人类社会的每一个角落无不闪烁着它的光辉。

2.第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。

3.第三代半导体材料主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料。在应用方面，根据第三代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域，每个领域产业成熟度各不相同。在前沿研究领域，宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。

扩展资料

Si和化合物半导体是两种互补的材料，化合物的某些性能优点弥补了Si晶体的缺点，而Si晶体的生产工艺又明显的有不可取代的优势，且两者在应用领域都有一定的局限性，因此在半导体的应用上常常采用兼容手段将这二者兼容，取各自的优点，从而生产出符合更高要求的产品，如高可靠、高速度的国防军事产品。因此第一、二代是一种长期共同的状态。

但是第三代宽禁带半导体材料，可以被广泛应用在各个领域，消费电子、照明、新能源汽车、导d、卫星等，且具备众多的优良性能可突破第一、二代半导体材料的发展瓶颈，故被市场看好的同时，随着技术的发展有望全面取代第一、二代半导体材料。

参考资料百度百科——半导体材料

锗 一种化学元素。化学符号Ge，原子序数32 ，原子量72.61属周期系ⅣA族。1871年俄国D.I.门捷列夫根据元素 周期律预言存在一个性质与硅相似的未知元素，命名为类硅。1886年德国C.温克勒在分析硫银锗矿时分离出这个元素，为纪念他的祖国Germany，命名为germanium。性质：元素名称：锗元素符号：Ge元素英文名称：Germanium元素类型：金属元素原子体积:(立方厘米/摩尔) 13.6元素在宇宙中的含量:(ppm) 0.2元素在太阳中的含量:(ppm) 0.2元素在海水中的含量:(ppm) 太平洋表面 0.00000035地壳中含量：（ppm）1.8 锗粒. 相对原子质量：72.61 氧化态：Main Ge+2, Ge+4 化学键能： (kJ /mol) Ge-H 288 Ge-C 237 Ge-O 363 Ge-F 464 Ge-Cl 340 Ge-Ge 163 原子序数：32质子数：32中子数：41摩尔质量：73所属周期：4所属族数：IVA电子层排布：2-8-18-4 晶体结构：晶胞为面心立方晶胞，每个晶胞含有4个金属原子。 晶胞参数：a = 565.75 pm b = 565.75 pm c = 565.75 pm α = 90° β = 90° γ = 90° 莫氏硬度：6 声音在其中的传播速率：（m/S）5400电离能 (kJ/ mol) M - M+ 762.1 M+ - M2+ 1537 M2+ - M3+ 3302 M3+ - M4+ 4410 锗矿石 M4+ - M5+ 9020 M5+ - M6+ 11900 M6+ - M7+ 15000 M7+ - M8+ 18200 M8+ - M9+ 21800 M9+ - M10+ 27000 颜色和状态:银白色固体密度：5.35克/厘米^3 熔点：937.4℃ 沸点： 2830℃原子半径： 122皮米，Ge4+半径53皮米发现人：文克勒发现年代：1886年发现过程：1886年，德国的文克勒在分析硫银锗矿时，发现了锗的存在；后由硫化锗与氢共热，制出了锗。物理性质锗是银灰色晶体，熔点937.4℃，沸点2830℃，密度5.35克／厘米3（2 锗锭 0℃），莫氏硬度6.0～6.5，室温下，晶态锗性脆，可塑性很小。锗具有半导体性质，在高纯锗中掺入三价元素（如铟、镓、硼）、得到P型锗半导体；掺入五价元素（如锑、砷、磷），得到N型锗半导体。常温下，锗在空气中不被氧化，但在加热时，锗能在氧气、氯气和溴蒸气中燃烧。锗不与水作用，不溶于盐酸和稀硫酸，硝酸和热的浓硫酸能将金属锗氧化为二氧化锗，锗还溶于王水。锗易溶于熔融的氢氧化钠或氢氧化钾，生成锗酸钠或锗酸钾。在过氧化氢、次氯酸钠等氧化剂存在下，锗能溶解在碱性溶液中，生成锗酸盐。锗的氧化态为＋2和＋4。用途高纯度的锗是半导体材料。从高纯度的氧化锗还原，再经熔炼可提取而得。掺有微量特定杂质的锗单晶，可用于制各种晶体管、整流器及其他器件。锗的化合物用于制造荧光板及各种高折光率的玻璃。锗单晶可作晶体管，是第一代晶体管材料。锗材用于辐射探测器及热电材料。高纯锗单晶具有高的折射系数，对红外线透明，不透过可见光和紫外线，可作专透红外光的锗窗、棱镜或透镜。锗和铌的化合物是超导材料。二氧化锗是聚合反应的催化剂，含二氧化锗的玻璃有较高的折射率和色散性能，可作广角照相机和显微镜镜头，三氯化锗还是新型光纤材料添加剂。锗，具有半导体性质。对固体物理学和固体电子学的发展起过重要作用。锗的熔密度5.32克/厘米3,为银灰色脆性金属。锗可能性划归稀散金属，锗化学性质稳定，常温下不与空气或水蒸汽作用，但在600～700℃时，很快生成二氧化锗。与盐酸、稀硫酸不起作用。浓硫酸在加热时，锗会缓慢溶解。在硝酸、王水中，锗易溶解。碱溶液与锗的作用很弱，但熔融的碱在空气中，能使锗迅速溶解。锗与碳不起作用，所以在石墨坩埚中熔化，不会被碳所污染。锗有着良好的半导体性质，如电子迁移率、空穴迁移率等等。锗的发展仍具有很大的潜力。现代工业生产的锗，主要来自铜、铅、锌冶炼的副产品。 在火法炼锌过程中，锗以氯化物或氧化物的形式进入烟尘中，并得到富集。煤燃烧或炼焦工业产生的锗都富集在烟道灰中。用盐酸处理这些烟尘和烟道灰，可得四氯化锗，通过精馏法提纯后，水解得高纯二氧化锗，放在石英管内，加热到680℃，用氢气还原得高纯锗。再用直拉法或区域熔炼法制得锗的单晶。在电子工业中锗虽已大部分被硅代替，但由于锗的电子和空穴迁移率比硅高，在高速开关电路方面锗的性能也比硅好，因此锗在红外器件、γ辐射探测器方面仍占有优势。锗还可作为煤的氢化和石油炼制的催化剂，锗酸铋用于闪烁体辐射探测器。对人的影响锗对人体的影响主要是可以恢复疲劳；防止了贫血；帮助新陈代谢等等。很多地方被当作医疗辅助用具。但却没有临床证明是有效的。最多也就是会说：身体会变轻，疼痛会减少等等。如果服用的话，曾经有过死亡的例子。临床研究者认为是有危险的东西。会对肾脏产生不好影响。 但是在日本，在珠宝首饰行业被当作健康用具内装在项链，手链里贩卖。价格不菲。至今为止，没有发现锗是人体必需的微量元素，也没有发现生物体 锗粒 因缺锗而出现的病理变化，因此在通常情况下并没有补锗的必要,因为在人类的正常饮食里面可以摄入足够身体用的锗元素。目前发现锗有益的生物效应与存在形式关系甚大，似乎没有明显的生理活性，只有部分有机锗化合物才能表现出来而又肯定的生理活性。一、锗在机体中的分布与代谢 各种天然食物均不同程度地含有锗，换算一下大约成人每天的锗摄取量为400-3500ug，因此锗普遍存在与机体中，机体中的部分酶蛋白，大脑中的皮质和灰质中，均含有微量元素锗。二、具有生理活性的有机锗化合物 研究最多的有机锗化合物包括有机锗倍半氧化物，衍生物，含硫配位的有机锗化合物，生理活性最为明显了。 锗，具有明显的抗肿瘤与消炎活性，其他还有很多类型的有机锗化合物，大多具有抗肿瘤，消炎，免疫复活和杀菌等生物效应，但因毒性较大，只能作为医药品使用。三、有机锗化合物与肿瘤的关系 有机锗132和螺锗等具有明显的抗肿瘤活性，且毒性低，尤其 锗粉 是没有骨髓毒性这一优点，在防治肿瘤和辅助放化疗等方面很有潜力，已经进入临床试用阶段。 有机锗化合物抑制肿瘤活性的可能机制包括增强机体免疫力，清除自由基和抗突变等多个方面。许多生物活性的有机锗化合物分子中，与锗原子配位的通常是氧，硫和氮之类的强电负性原子，由于它们对电子的吸收作用导致锗原子周围的电子云偏离原子核而形成一个正电中心。但有机锗化合物遇到肿瘤细胞时，其正常中心可增加肿瘤细胞的电势能，降低其活动能力，从而起到抑制和杀死肿瘤细胞的作用，这就是说有机锗化合物抑制肿瘤活性的生物电位学说。除了抗肿瘤及免疫复活作用外，锗有益于生物效应还包括刺激造血系统的功能发挥，抑制细胞生长促进抗菌消失，促进植物生长等作用。对血液系统的作用主要表现在刺激血中红细胞和血红蛋白数量的增加，对治疗贫血有一定的作用。赞同44| 评论(3)

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