В чем разница между первым, вторым и третьим поколениями полупроводников?

Полупроводниковое сырье прошло три этапа развития: первый этап-кремнийСи), Германий (GE) Первое поколение полупроводникового сырья, представленное, второй этап-арсенид галлия (GaAs), Фосфид индия (Инп) И другие соединения представлены; третья стадия-нитрид галлия (Ган), Карбид кремния (SiC), Селенид цинка (Znse) В основном широкополосное полупроводниковое сырье.

 

История развития полупроводниковых материалов и устройств

В области материалов первое, второе, третье поколение не имеет"Последнее поколение лучше, чем предыдущее».Утверждение. В зарубежных странах такие материалы, как нитрид галлия и карбид кремния, обычно называются полупроводниками с широкими запретными полосами, нитрид галлия, нитрид алюминия, нитрид индия и их смешанные кристаллические материалы превращаются в нитридные полупроводники или нитрид галлия, арсенид галлия, фосфид индия становитсяIII-VСемейство полупроводников. Утверждение о полупроводниковых материалах третьего поколения, принятых в Китае, соответствует трем промышленным революциям, вызвенным крупномасштабным применением полупроводниковых материалов в истории человечества. В настоящее время полупроводники третьего поколения развиваются быстрыми темпами, а полупроводники первого и второго поколений все еще широко используются в отрасли, играя незаменимую роль полупроводников третьего поколения. Итак, каковы достижения полупроводников третьего поколения по сравнению с первым и вторым поколениями? В чем техническая разница между этими тремя поколениями полупроводников? Почему нитрид галлия(GaN)И карбид кремния(SiC)В третьем поколении полупроводников?
 

01

Полупроводниковые материалы первого поколения

 

Время подъема: 50-е годы XX века;

Представительные материалы: Кремний (Си), Германий (GEПолупроводниковые материалы.

Историческое значение: Первое поколение полупроводниковых материалов вызвало интегральные схемыИС) Область микроэлектроники в качестве ядра быстро развивалась. Из-за узкой запрещенной зоны кремниевого материала, меньшей подвижности электронов и электрического поля пробоя,СиПрименение в области оптоэлектроники и высокочастотных и мощных устройств имеет множество ограничений. Тем не менее, полупроводники первого поколения имеют высокую технологическую зрелость и ценовые преимущества и по-прежнему широко используются в области электронной информации, новой энергии и кремниевой фотоэлектрической промышленности.

 
Применение кремния в фотоэлектрической промышленности

 

02

Полупроводниковые материалы второго поколения

 

Время подъема:20С 1990-х годов,С быстрым развитием мобильной связи, ростом информационной супермагистрали на основе волоконно-оптической связи и Интернета,Начали появляться полупроводниковые материалы второго поколения, представленные арсенидом галлия и фосфидом индия.

Представительные материалы: Полупроводниковые материалы второго поколения представляют собой составные полупроводники; такие как арсенид галлия (англ.GaAs), Антимонид индия (ИнСб);Гаасал,GaASP; Также некоторые твердые полупроводники, такие какGe-Si,GaAs-GaPСтеклянные полупроводники (также известные как аморфные полупроводники), такие как аморфный кремний, стеклооксидные полупроводники, органические полупроводники, такие как фталоцианин, фталоцианин меди, полиакрилонитрил и так далее.

Характеристики производительностиЕсли взять в качестве примера арсенид галлия, то по сравнению с полупроводниками первого поколения арсенид галлия обладает характеристиками высокой частоты, радиационной стойкости и высокой термостойкости, поэтому он широко используется в основной коммерческой беспроводной связи, оптической связи и оборонной промышленности.

Историческое значение: Полупроводниковые материалы второго поколения в основном используются для изготовления высокоскоростных, высокочастотных, мощных и светоизлучающих электронных устройств. Это отличный материал для производства высокопроизводительных микроволновых, миллиметровых волновых устройств и светоизлучающих устройств. В связи с ростом информационной супермагистрали и Интернета, он также широко используется в спутниковой связи, мобильной связи, оптической связи иГПСНавигация и другие области. По сравнению с первым поколением полупроводников, арсенид галлияGaAsМожет быть применен в области оптоэлектроники, особенно в инфракрасных лазерах и красных диодах высокой яркости.

Из21Начиная с века, новые электронные технологии, такие как смартфоны, новые энергетические транспортные средства и роботы, быстро развиваются, в то же время глобальный энергетический и экологический кризис является заметным, использование энергии имеет тенденцию к низкому энергопотреблению и тонкому управлению, традиционные полупроводниковые материалы первого и второго поколения из-за их собственных ограничений производительности не смогли удовлетворить потребности науки и техники, это требует появления новых материалов для замены.
 

03

Полупроводниковые материалы третьего поколения

 

Время происхождения: Америка рано1993Первые материалы и устройства из нитрида галлия были разработаны в этом году, и самая ранняя исследовательская группа в Китае--Институт полупроводников Академии наук Китая1995Год также начал исследования в этой области, и в2000Год сделалHEMTСтруктурные материалы.

Представительные материалы: Полупроводниковые материалы третьего поколения в основном из карбида кремнияSiC), Нитрид галлия (Ган), Оксид цинка (ZNO), Алмаз, нитрид алюминия (АлН), Представляющая широкую запретную полосу (Например》2,3 эВПолупроводниковые материалы.

Статус развития: В5GПод явным влиянием требований к приложениям, таким как связь, новые энергетические транспортные средства и фотоэлектрические инверторы, в настоящее время головные компании в области приложений начали использовать полупроводниковую технологию третьего поколения, что еще больше повысило доверие отрасли и укрепило направление полупроводниковых технологий третьего поколения. инвестиции.

Анализ производительности: полупроводниковые материалы третьего поколения имеют более широкую запретную полосу по сравнению с полупроводниковыми материалами первого и второго поколения(> 2,2 эВ)Более высокое ударное электрическое поле, более высокая теплопроводность, более высокая скорость насыщения электронов и более высокая радиационная стойкость, больше подходит для изготовления высокотемпературных, высокочастотных, мощных и радиационных устройств, которые могут широко использоваться в высоковольтных, высокочастотных, высокотемпературных и высоконадежных областях, включая радиочастотную связь, радиолокационные, спутниковые, управление питанием, автомобильная электроника, промышленная электрическая электроника и др.

 

Сравнение основных параметров свойств полупроводниковых материалов

Основные материалы и области применения полупроводников

В третьем поколении полупроводников,SiCС.ГанПо сравнению с первымГанРазвитие раньше, и технологическая зрелость также выше; Большая разница между ними является теплопроводность, которая делает применение с высокой мощностью,SiCДоминирование; в то же время благодаряГанИмеет более высокую подвижность электронов и, следовательно, может быть сравниSiCИлиСиС более высокой скоростью переключения, в высокочастотных областях применения,ГанС преимуществами.
Обычно из приведенной ниже таблицы"Значение (Заслуга, ФОМ)».Это ясно видно,SiCИГанПо сравнению с предыдущими двумя поколениями полупроводниковых материалов, функции и характеристики значительно улучшились.

*Вышеуказанные преимуществаСиМатериалы в единицах1, Была проведена нормализация
ГанИSiCУ каждого есть свои преимущества и недостатки в свойствах материалов, поэтому у каждого есть свой акцент и взаимодополняемость в области применения. Такие какГанВысокая частотаБалигаЗначительное значение вышеSiCИ, следовательно,ГанПреимущества в области высокочастотной малой мощности, сосредоточенной на1000 ВВ дальнейшем, например, базовая станция связи, миллиметровая волна и т. д.SiC-Что?КейЗначительное значение вышеГанИ, следовательно,SiCПреимущество высокой температуры1200 ВВышеупомянутые крупные энергетические области включают электричество, высокоскоростные железные дороги, электромобили, промышленные двигатели и т. Д. В области низкой и средней мощности,ГанИSiCВсе могут быть применены, с традициямиСиКонкуренция за базисные устройства.
 

ГанУстройства в основном включают в себя три типа радиочастотных устройств, силовых электронных устройств и оптоэлектронных устройств.ГанКоммерческое применение начинается сСИДОсвещение и лазеры, которые более основаны наГанХарактеристики прямой запрещенной зоны и спектральные характеристики, смежные отрасли развивались очень зрелыми. Радиочастотные устройства и устройства питания играютГанОсновные области применения свойств полупроводников в широкой запретной зоне.
 

Преимущества применения: небольшой размер, высокая частота и высокая мощность, низкое энергопотребление и высокая скорость;5GСвязь будетГанОсновные факторы роста на рынке радиочастотных устройств.

 

5GБазовая станция будет использовать схему антенной решетки с несколькими приемами,ГанРадиочастотные устройства значительно улучшили энергопотребление и размер всей антенной системы. Более высокая мощность, высокая частота радиочастотных приложений, более высокая пропускная способность, более высокая скорость передачи и более низкое энергопотребление системы,ГанРадиочастотный силовой транзистор, который может быть использован в качестве нового твердотельного источника энергии СВЧ, заменяя традиционный2,45 ГГцМагнетрон, применяется в бытовой электронике и промышленности от микроволновых печей до мощных сварочных аппаратов.

2017Глобальный рынок силовых полупроводников327100 миллионов долларов, ожидается2022Год достигает426100 миллионов долларов. Промышленность, автомобили, беспроводная связь и бытовая электроника являются четырьмя основными рынками терминалов.

 

SiCС прошлого века70Начали исследования и разработки.2001ГодSiCSBDКоммерческие,2010ГодSiCMOSFETКоммерческие.SiCigbtВсе еще в разработке.SiCОн может значительно снизить потери на переключение при преобразовании мощности, поэтому он имеет лучшую эффективность преобразования энергии, легче реализовать миниатюризацию модуля и более высокую термостойкость.
SiCОсновные применения силовых устройств: Интеллектуальные сети, транспорт, новые энергетические транспортные средства, фотоэлектрические, ветроэнергетика;Новые энергетические транспортные средстваSiCОсновные факторы роста на рынке силовых устройств, В настоящее времяSiCПрименение устройств на новых энергетических транспортных средствах в основном является блоком управления мощностью(PCU)Инвертор,Alcatel re-stockingПреобразователи, автомобильные зарядные устройства и т. Д.
2017Год ГлобальныйSiCОбщий объем рынка силовых полупроводников достиг3,99100 миллионов долларов. Ожидается, что2023Год,SiCОбщий объем рынка силовых полупроводников достигнет16,44100 миллионов долларов.
 

04

Резюме

 

Первое и второе поколения полупроводниковых технологий сосуществуют в течение длительного времени: На данном этапе первое, второе и третье поколения полупроводниковых материалов широко используются. Почему появление второго поколения не заменило первое поколение? Может ли полупроводник третьего поколения полностью заменить традиционные полупроводниковые материалы?
Это потому, чтоСиИ составные полупроводники-это два дополнительных материала, и некоторые из эксплуатационных преимуществ соединений компенсируютСиНедостатки кристаллов, в то время какСиПроцесс производства кристаллов, очевидно, имеет незаменимые преимущества, и оба имеют определенные ограничения в области применения, поэтому в полупроводниковых приложениях часто используются совместимые методы, чтобы совместить их и использовать их соответствующие преимущества для производства продуктов, отвечающих более высоким требованиям, таких как высокая надежность, высокая скорость оборонной продукции военного назначения. Поэтому первое и второе поколения являются долгосрочным общим состоянием.
Ожидается, что третье поколение будет полностью заменено: Широко запрещенные полупроводниковые материалы третьего поколения могут широко использоваться в различных областях, в бытовой электронике, освещении, новых энергетических транспортных средствах, ракетах, спутниках и т. Д., И имеют много отличных характеристик, которые могут преодолеть узкое место разработки полупроводниковых материалов первого и второго поколения. Поэтому рынок с оптимизмом смотрит на это, ожидается, что с развитием технологий он полностью заменит полупроводниковые материалы первого и второго поколения.
Новая база создает огромные возможности для развития отечественных производителей полупроводников: Китай начал относительно поздно в третьем полупроводниковом материале и имеет более низкий технический уровень по сравнению с зарубежными странами. Это возможность обогнать на повороте, но у нашей страны все еще есть много трудностей и проблем.
4Месяц20Первая официальная декларация Национальной комиссии по развитию и реформам"Новая инфраструктура».Объем, официально заданный5GНаправление развития семи основных областей, включая инфраструктуру, искусственный интеллект и промышленный Интернет."Новая инфраструктура».Как развивающаяся отрасль, один конец связан с постоянно растущим потребительским рынком, а другой конец связан с быстро развивающимися технологическими инновациями. Стоит отметить, что либо5GНовые энергетические транспортные средства или промышленный Интернет и т. Д.,"Новая инфраструктура».Строительство различных отраслей тесно связано с развитием полупроводниковых технологий. Например: нитрид галлия(GaN)Радиочастотный полупроводник в качестве ядра, поддерживает5GСтроительство базовых станций и промышленных интернет-систем; карбид кремния(SiC)И.IgbtМощные полупроводники в качестве ядра, поддерживающие новые энергетические транспортные средства, зарядные станции, базовые станции/Строительство центров обработки данных для электроснабжения, сверхвысокого напряжения и железнодорожных транзитных систем;ИИЧип для ядраСОЦЧип поддерживает строительство центров обработки данных и систем искусственного интеллекта.
Нетрудно видеть, что нитрид галлия(GaN)И карбид кремния(SiC)Полупроводники третьего поколения во главе с поддержкой"Новая инфраструктура».Материал ядра. В"Новая инфраструктура».С благословением отечественных альтернатив отечественные производители полупроводников откроют огромные возможности для развития.