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一、第一、二、三、四代半导体介绍及区别

二、第三代半导体会取代第一、二代半导体吗

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（图源公众号：半导体芯盟）

半导体材料性质差异（图源公众号：小芯叽）

1.第一代半导体

第一代半导体是指使用硅（Si）、 锗（Ge）等半导体材料制造的半导体。20世纪50年代，锗在半导体产业中占主导地位。到了20世纪60年代后期，硅逐渐替代锗被大量应用。硅在自然界中的蕴藏量大，随着大尺寸硅晶圆制备技术和硅基芯片制造工艺越来越成熟，硅基芯片技术沿着摩尔定律快速发展，形成了规模巨大的芯片产业。现在的大部分芯片都是硅基芯片，例如CPU，GPU，存储器，FPGA等。

CPU封装图（图源网络）

2.第二代半导体

第二代半导体是指使用砷化镓（GaAs）、 磷化铟（InP）等材料制造的半导体材料。它们具有较小的电阻率和较低的导电性，因此不适用于高功率电路。化合物半导体材料相较于硅来说具有禁带宽度大、载流子浓度低、光电特性好，以及耐热、抗辐射性能好等特性，主要用于制造高速、高频、大功率的发光电子器件，被广泛应用于微波通信、卫星通信、光通信、光电器件和卫星导航等领域。

但是化合物半导体材料十分稀缺，存在深能级缺陷、大尺寸晶圆难制备、价格贵、有毒性等问题，使得化合物半导体材料的应用受到一定的限制。

8英寸GaAs单晶衬底（图源网络）

3.第三代半导体

第三代半导体是指使用碳化硅（SiC) 、氮化镓（GaN)、氧化锌（ZnO）具有宽禁带特性的半导体材料，因此也称为宽禁带半导体材料。这些材料通常由三种或更多元素组成，如氮化镓、碳化硅等。第三代半导体具有更高的电子流动速度和更低的电阻，主要应用:高温、高频、高辐射、大功率器件、半导体激光器，更优的电子迁移率、带隙、击穿电压、高频、高温特性。

6英寸碳化硅MOSFET晶圆（图源网络）

4.第四代半导体

具有超宽禁带，击穿场强比第三代半导体更大，如氧化镓（Ga2O3）、氮化铝（AlN）、金刚石（C）等，因此称为超宽禁带半导体材料。

超宽禁带半导体材料能承受更高电压与功率，适合制造大功率电子器件和高性能射频电子器件。

但是这些材料生产和制备困难，制造工艺还不成熟。比如β-Ga2O3，通过掺入Si、Ge和Sn等施主元素能制备出良好的n型β-Ga2O3，但由于β-Ga2O3材料本身具有价带平坦、有效质量大、易形成自陷空穴以及自补偿效应等问题，使得p型掺杂很难实现，没法制备出理想的同质pn结。

氧化镓晶圆（图源网络）

二、第三代半导体会取代第一、二代半导体吗

第一、二代半导体技术长期共存：现阶段是第一、二、三代半导体材料均在广泛使用的阶段。为什么第二代的出现没有取代第一代呢？第三代半导体是否可以全面取代传统的半导体材料呢？

那是因为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。

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、导弹、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。第三代半导体在性能上具有显著优势，但受制于成本和技术成熟度，短期内难以完全取代第一、二代半导体。长期来看，随着技术进步和成本降低，第三代半导体将在更多领域实现替代，尤其在新兴的高功率、高频应用场景中。第一、二代半导体在传统领域仍有一定生命力，但市场份额可能逐渐萎缩。