半导体材料的特性硬件百科：半导体原材料有哪些？|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

硬件百科：半导体原材料有哪些？

这些年整个集成电路行业都陷入了瓶颈，处理器工艺制程难以精进，摩尔定律似乎已经走向了没落，半导体行业一直想要找出可以替代硅（Si）的半导体材料，但尝试了各种后发现还是硅（Si）好挣钱。

虽然硅（Si）在集成电路芯片制造上目前无法被替代，但经过了这么多年的发展，每一个成熟的半导体材料自己都可以带动一个行业的发展，那么目前行业里有哪些半导体材料呢？

第一代半导体：

业界将半导体材料进行过分类，前面提到的硅（Si）和锗(Ge)是第一代半导体材料。

硅（Si）：前面提到的硅（Si）是目前应用最广泛的半导体材料，集成电路基本都是由硅（Si）制造。硅（Si）被大家广为熟知是因为它是CPU的材料，英特尔和AMD的处理器都是基于硅（Si）所打造的，当然除了CPU，GPU芯、存储闪存也都是硅（Si）的天下。

锗（Ge）：锗（Ge）是早期晶体管的材料，可以说正是硅（Si）出现之后锗（Ge）才走向了没落，不过也只是锗（Ge）并没有被硅（Si）完全取代，作为重要的半导体材料之一，锗（Ge）依旧活跃在一些光纤、太阳能电池等通道领域。

第一代半导体材料的不管是技术开发还是还是成本把握都最为成熟，所以即使后面的第二、第三代半导体材料在某些特性表现方面完全超越了硅（Si），却也没有办法商用取代硅（Si）的价值，无法带来硅（Si）这样的高收益才是关键。

第二代半导体：

第二代半导体材料与第一代半导体有本质的不同，第一代半导体的硅（Si）和锗（Ge）属于单质半导体，也就是由单一物质构成。而第二代属于化合物半导体材料，由两种或两种以上元素合成而来，并且拥有半导体特性，第二代半导体常见的是砷化镓（GaAs）和磷化铟 (InP)。

砷化镓（GaAs）：砷化镓（GaAs）是第二代半导体材料的标志性产物之一，我们经常听说的的LED发光二极管，就有砷化镓（GaAs）参与。

砷化镓（GaAs）

磷化铟 (InP)：磷化铟 (InP)由金属铟和赤磷在石英管中加热反应制作，特点是耐高温、高频率和高速率，因此在通讯行业被广泛应用，用于制作通信器件。

第二代半导体可以说是4G时代的基盘，很多4G设备使用的材料都是基于第二代半导体材料打造。

第三代半导体：

第三代半导体同样属于化合物半导体材料，特点是高禁带宽度、高功率和高频以及高电压等，代表产品是，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。

碳化硅（SiC）：碳化硅（SiC）的特性有耐高温、耐高压，非常适合是做功率器件开关，如很多主板上高端MOSFET就是由碳化硅（SiC）制作的。

MOSFET

氮化镓（GaN）：氮化镓（GaN）碳化硅（SiC）一样都是高禁带宽度半导体，特性是能耗低、适合高频率，适合打造5G基站，唯一的缺点就是技术成本过高，很难在商用领域看到。

目前国内比较流行推广第三代半导体的发展，原因是国内外起点差距小，还有竞争的机会。

注意事项：

虽然这些半导体材料被认为划分到为第一代、第二代，听起来也像是迭代的产品，但其实这些第一代、第二代、第三代半导体材料并不是替代关系，它们的特性不同，应用的场景也不一样，一二三代只是行业一种区分标识，只是根据材料进行了划分，有些场景化甚至会同时应用在一起。

(7686701)

半导体全面分析（一）：两大特性，三大政策，四大分类

一、两大特性

1. 能带

导体，咱能理解，绝缘体 ，咱也能理解，不好理解的，怕是半导体 了

原子组成物质时，会有很多电子混到一起，但2个相同电子没法待在一个轨道上，于是，很多轨道就分裂成了好几个轨道，这么多轨道挤在一起，不小心挨得近了，就变成了宽宽的大轨道。

在量子力学里，这种细轨道叫能级，挤在一起变成的宽轨道就叫能带有些宽轨道挤满了电子，电子不能移动，宏观上表现为不能导电 有些宽轨道空间很空旷，电子自由移动，宏观上表现为导电有些满轨道和空轨道挨的太近，电子可以毫不费力从满轨道跑到空轨道上，于是就能自由移动，这就是导体如果两条宽轨道之间有空隙，电子单靠自己跨不过去，表现为不导电 如果空隙的宽度在5ev之内，给电子加个额外能量，也能跨到空轨道上，跨过去就能自由移动，表现为导电。

这种空隙宽度不超过5ev的固体，有时导电、有时不导电，所以叫半导体

2. 半导体

半导体 Semiconductor 是指常温下导电性能介于导体（conductor） 与绝缘体（insulator） 之间的材料

通常金属的电导率大于一万（10 4 ）Ω -1 cm -1，如铝、铜、银、铂等，而绝缘体的电导率则小于百亿分之一 （10 -10 ）Ω -1 cm -1，如橡胶、陶瓷、塑料等，电导率介于10 4-10 -10 Ω -1 cm -1 之间的一种固体材料，则被称为半导体

下面有点烧脑细胞

3. 掺杂特性

半导体的电导率并不是一成不变的，它会随着掺入杂质元素 、受热、受光照、受到外力等种种外界条件，而在绝缘体和金属之间电导率区间内发生变化，这些特性使得半导体衍生出了较为丰富的应用场景一种是掺入Ⅴ族元素（常用的有磷P、砷As），V族元素相比Ⅳ族的外层电子多出一个，多出的电子能够作为导电的来源，这种掺杂手段被称为N（Negative）型掺杂 另一种是掺入Ⅲ族元素（常用的有硼B、氟化硼BF2），Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外层电子少一个，这种缺少电子的空位被称为空穴，空穴同样能够导电，对应的掺杂手段被称为P（Positive）型掺杂

PN 结

把PN这两种半导体面对面放一起会咋样？不用想也知道，N型那些额外的电子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到电场平衡为止，这就是大名鼎鼎的“PN结 ”(动图来自《科学网》张云的博文)PN结具有单向导电性 ，电流只能从这一头流向另一头，无法从另一头流向这一头如果将PN结加正向电压，即P区接正极，N区接负极，多数载流子将在外电场力的驱动下源源不断地通过PN结，形成较大的扩散电流，称为正向电流

如果加个反向的电压，多数载流子扩散运动减弱，没有正向电流通过PN结，只有少数载流子的漂移运动形成了反向电流。由于少数载流子为数很少，故反向电流是很微弱的，电阻很大

一个PN 结就可以形成半导体器件中最简单的二极管 （Diode），它同时也是构筑三极管 （BJT ）、金属氧化物半导体场效应管 （MOSFET）等其他众多半导体器件的基础结构

4. 光电特性

光生电 ：在PN结处没有可以自由移动的电子和空穴，但是晶格原子外层有许多被束缚的共价电子。

光照能使共价电子获得能量，脱离晶格原子的束缚，变成可以自由移动的电子和空穴。

而电子和空穴都是构成电流的成分，因此光照可以使PN结产生电流。

PN结光生电的特性使它能够制备成雪崩二极管、PIN二极管，这些器件广泛应用于光探测器、太阳能电池等领域

电生光 ：反之，若在PN结两端加以正向电压，半导体中的电子和空穴就会在结处相遇之后消失（复合），并产生一束光子，前提是制造PN结的材料为直接带隙半导体。PN 结电生光的特性使它能制作成发光二极管（LED）、激光二极管（LD ）等，广泛应用于半导体照明、光通讯中的光源、3DSensing 等领域直接带隙半导体 ，是指这种材料中的电子和空穴复合时遵循动量守恒，如化合物半导体材料：GaAs、GaP、GaN等。而对于应用十分广泛的硅材料来说，它属于间接带隙半导体，用硅材料制造的PN结只能制造具有整流、开关特性的二极管，并不能发出光子

二、四大分类

5. 四大分类

半导体在应用上可以分为四类产品，分别是集成电路、光电子器件、分立器件和传感器，详细分析请持续关注

分立器件： 单个的二极管、三极管、功率半导体器件（如LDMOS、IGBT等）都属于分立器件。它们相比集成电路的缺点就是体积大，但是在一些场合（如超大功率、半导体照明），分立器件比集成电路更具优势

光电子器件（photoelectron devices） 是利用电-光子转换效应制成的各种功能器件。光电子器件应用范围广泛，包括光通讯、光显示、手机相机、夜视眼镜、微光摄像机、光电瞄具、红外探测、红外制导、医学探测和透视等多个领域

传感器 ：传感器是将环境中的物理量转化为电学量的一种检测装置

集成电路(integrated circuit)(缩写IC) 是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构，也叫做芯片

芯片种类繁多，根据处理信号的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路，详细分析请持续关注我们

三、万亿规模

6. 全球

据WSTS最新数据，2018年全球半导体市场规模达到4780亿美金 ，预测2019年全球半导体市场规模将达到4901亿美金

根据 WSTS 数据，分立器件销售额为 241.02 亿美金、光电子销售额为 380.32 亿美金、传感器销售额为 133.56 亿美金、集成电路（Integrated Circuit，简称 IC）销售额为 3932.88 亿美金，分别占到全球半导体销售总额的 5.14%、8.11%、2.85%、83.9%

根据 IC Insights、Gartner数据，2018 年全球集成电路设计产值为 1139 亿美金，集成电路封测产值为 560 亿美金，IC 制造环节的产值约为 2233.8 亿美金，设计、制造、封测环节的产值占比分别为 29%、57%、14%

7. 中国

从市场结构来看，中国和美洲（主要是美国）已经成为全球半导体前两大消费市场，2018 年，其市场规模占比分别为 32%、22%，其次是欧洲和日本

8. 应用

根据 IC Insights 数据，2018年集成电路的主要下游应用可分为电脑（36.6%）、通信（36.4%）、消费电子 （11.0%）、汽车（8.0%）、工控（8.0%）、军用（6.5%），预计2023 年通信市场将超越电脑成为集成电路最大的下游市场，占比有望达到 35.7%，汽车市场占比也有望较 18 年提升 1.8pct