B体育公元 2020 年 9 月 4 日，一则 “我国将把大力发展第三代半导体产业写入‘十四五’规划”的消息引爆市场，引起第三代半导体概念股集体冲高涨停，场面十分壮观。
暴涨逆袭之间，“第三代半导体”成了疯狂刷屏的明星词，人们惊呼下一个风口来了。
巧合的是，华为消费者业务 CEO 余承东在 8 月 7 日接受采访时也曾表示：
现在我们从第二代半导体进入第三代半导体时代，希望在一个新的时代实现领先。在终端的多个器件上，华为都在投入。华为也带动了一批中国企业公司的成长，包括射频等等向高端制造业进行跨越。
现在我们从第二代半导体进入第三代半导体时代，希望在一个新的时代实现领先。在终端的多个器件上，华为都在投入。华为也带动了一批中国企业公司的成长，包括射频等等向高端制造业进行跨越。
第三代半导体到底是什么？为什么会突然被炒上天？在中国芯片产业被美国强势打压下，第三代半导体又在扮演什么角色？
看到第三代半导体，你肯定会想第一代、第二代是什么。这里的 “代际”，是根据半导体制造材料来划分的。
在《兵进光刻机，中国芯片血勇突围战》一文中，IT之家曾介绍，芯片制造的第一步是从沙子里提炼出高纯度的硅。
半导体材料发展到第三代，肯定是因为氮化镓、碳化硅相比前两代有优势，才会被重用。那么它有什么优势呢？
更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率、更高的抗辐射能力……
更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率、更高的抗辐射能力……
不过这个解释的过程可能会涉及一些理化方面的知识，稍微有一丢丢的深。大家如果不想看，也可以直接跳到本部分的第 3 小节。
导体能导电，意思就是能够让电流通过。而中学物理告诉我们，电流就是自由电子在电场力的作用下做定向运动形成的。
我们知道，物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子是由原子核以及围绕在周围的电子构成的。
原子核带正电荷，电子带负电荷，异性相吸，所以电子围绕在原子核周围不停地转。
这原子核，就像古代富贵家族的大公子哥，特别帅，有一种独特的吸引力，能吸引三妻四妾（电子）围在他身边。
妻妻妾妾嫁进公子哥的家族后，那些住得和丈夫比较近的，天天耳鬓厮磨，感情深厚，自然不离不弃。
而和丈夫住得比较远的妾们，和公子的感情比较淡，空守寂寞，久而久之，自然就有一种摆脱家族婚姻束缚，追求自由爱情的冲动。
事实上，在她们面前，真的有一道墙，家族豪宅的围墙，这道墙阻碍了她们对自由的向往。
对应到物理学上，大家族豪宅内的区域，叫做原子核周围的 “价带”，而那道墙，叫做禁带，墙外的区域，叫做导带。
其中，禁带是不能存在电子的，就好像有人想追求自由，她不可能骑在墙头上光明正大地和隔壁的王公子约会，她只会想办法穿过那道墙。
物质也是如此，价带边缘的电子，更有一种摆脱原子核束缚，穿越禁带，来到导带，成为自由电子的趋向和可能。
换句话说，只要电子能够越过禁带，来到导带，成为自由电子，那么物体就能导电B体育。
通常，导体的禁带非常窄，甚至没有，所以价带的电子很容易来到导带成为自由电子，因此导体是能导电的。
而半导体呢，它的禁带宽度介于绝缘体和导体之间，价带的电子是有机会来到导带的，只是需要一些外部的能量。
也就是说，给它施加一个电压，那么价带的电子就能越过禁带，成为自由电子，半导体就导电了。
半导体从绝缘变成导体的时候，叫做击穿，这时候对应的电压叫做击穿电压B体育，形成的电场强度叫做击穿场强。
所以，“更宽的禁带宽度、更高的击穿电场”，意思都是在说，第三代半导体能承受更高的电压。
我们用半导体最经典的材料硅来举例。硅元素有 14 个电子，按 2-8-4 分三层排列。
可是我们知道，原子最外层 8 个电子可以构成稳定状态。这时硅就想了，我这最外层只有 4 个电子，要是能想办法凑成 8 个电子多好啊！
方法还真有，那就是和别的原子共用。比如两个硅原子碰到一起，就会说，你最外面有 4 个电子，我最外面也有 4 个电子，咱俩共用一下，不就都有 8 个电子了吗？
如果我们在硅里惨杂一些磷原子会怎样呢？磷的最外层有 5 个电子，当它和硅原子共享完 4 个电子后，就会发现自己还剩下 1 个多余的电子，这个电子就成了自由电子。
这样惨杂后，原来的硅就会变成携带自由电子的半导体，我们把它叫做“N 型半导体”。
而如果我们掺杂的不是磷，而是硼呢？硼最外层有 3 个电子，所以它只能和硅共用 3 个电子，还差一个电子没法共用，那也没办法，只能空在哪里，所以就形成了等价于正电荷的空穴。
这时候，硅就成了一种类似于带正电荷自由电子的半导体，我们把它叫做“P 型半导体”。
注意，N 型半导体并不是只有自由电子，也有一些正电荷的空穴，只是这些空穴很少，是硅自己本征激发形成的。
一个带有很多自由移动的电子（负电荷），一个带有很多的空穴（相当于正电荷），要是把 N 型半导体和 P 型半导体放一块，那会怎么样呢？
那还用说？那自由电子和空穴肯定就像对爱情渴慕已久的年轻男女，一见面就如狼似虎地纠缠在一起了呗。
当 N 型半导体和 P 型半导体在一起，距离最近的自由电子和空穴首先迫不及待地结合在一起；
这些 “情侣”太喜欢秀恩爱了，就在路中间抱了起来，结果，他们形成了一道 “人墙”，把路给挡住了。
这时候，右边的 N 型半导体中的一些自由电子因为和空穴结合，相当于失去了一些电子，因此整体呈现正电；
左边的 P 型半导体中的一些空穴因为和自由电子结合，相当于失去了一些空穴，因此整体呈负电；
如此一来，两边就形成了一个电场，方向是从 N 型到 P 型，这个电场叫“内建电场”。
因此这个内建电场形成后，N 区自由电子进入电场就会被弹出来，就像撞了墙一样，所以他们就到不了 P 区了。
不过呢，前面我们说了，P 区也是有少量自由电子的，他们的受力方向和电场方向是相同的，就可以在电场力的作用下B体育，顺利漂到 N 区。
这个过程叫做“载流子漂移”，他们飘到 N 区的过程，代表这个 PN 半导体可以通电，直到两边达到平衡。
注意，这些过程和上面 “人墙”的形成是动态同步进行的，人们把这种结构叫做“PN 结”。
如果我们再 N 区施加负电压，P 区施加正电压，那么 PN 两边就会形成一个新的电场，反方向从 P 到 N。
这个新的电场会抵消内建电场，内建电场被抵消后，“人墙”就会慢慢变小，最后消失，两边的载流子就可以畅通无阻了，这个 PN 半导体就可以通电；
而如果我们在 N 区施加的是正电，P 区施加的是负电，那么新的电场就会和内建电场方向相同，“人墙”就会越来越宽，导致载流子再也无法漂移，半导体就断电了。
晶体管是什么？其实就是很小很小的开关，控制半导体通电和断电，通电代表 “1”, 断电代表 “0”，由此形成各种庞大复杂的二进制运算。
“更宽的禁带宽度”和 “更高的击穿电场”前面我们已经解释过了，更高的电子饱和速率，大家就可以理解为，用第三代半导体制造的晶体管，载流子漂移速度很高，他们的漂移速度高，晶体管完成通电和断电的速度就更快，这意味着他们的频率更高。
第三代半导体不仅电子饱和速率高B体育，电子迁移率高，这意味着载流子迁移的时候基本没什么阻碍，阻碍意味着什么，意味着功耗、发热，所以第三代半导体的功耗、发热也是很低的B体育。
至于更高的抗辐射能力，就比较好理解了。辐射可能对半导体产生不良影响，例如改变掺杂的程度、改变自由电子的运动，甚至引起半导体物理属性的改变等，因此更高的抗辐射能力可以带来更好的系统稳定性。
如果大家不想看上面这些，IT之家也为大家总结了第三代半导体的主要优势，大家可以只记住这些：
就拿功率和频率来说，第一代半导体材料的代表硅，功率在 100Wz 左右，但是频率只有大约 3GHz；第二代的代表砷化镓，功率不足 100W，但频率却能达到 100GHz。因此前两代半导体材料更多是互为补充的关系。
而第三代半导体的代表氮化镓和碳化硅，功率可以在 1000W 以上，频率也可以接近 100GHz，优势非常明显，因此未来有可能是取代前两代半导体材料的存在。
不过，摆在氮化镓和碳化硅普及面前的问题也有不少，比如单晶生长时间长、技术门槛高、成本高、良率低等，这些问题还有待产业链不断去攻克。
第三代半导体的这些优势，很大程度上都得益于一点：它们相比前两台半导体具有更大的禁带宽度。甚至可以说，三代半导体之间的主要区分指标就是禁带宽度。
因为具有上面这些优势，第三点半导体材料可以满足现代电子科技对高温、高压、高功率、高频以及高辐射等恶劣环境的要求，因此可以在航空、航天、光伏、汽车制造、通讯、智能电网等前沿行业中有大规模应用。目前主要是制造功率半导体器件。
具体到氮化镓和碳化硅各自的应用，要先说一下芯片的基本结构，分为衬底、外延和器件结构。
衬底就是芯片的底盘，外延就是衬底上的一层薄膜，器件结构就是表面画电路图的地方。
碳化硅的热导率高于氮化镓，且单晶生长成本比氮化镓低，所以目前碳化硅主要被用在第三代半导体芯片的衬底，或者在高压高可靠领域做外延，而氮化镓主要在高频领域做外延。
例如最近流行的氮化镓充电器，就是利用了氮化镓高频的属性，将充电器内部的元器件做小，才实现了高功率小体积。
氮化镓由于禁带宽度大、击穿电场高、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点，经常被用来制造高温、高频、大功率微波器件。
例如军工电子中的军事通讯、电子干扰、雷达等领域，其他方面则如通讯基站中的射频元件、功率器件等，能大大减小基站的质量、体积。
例如它有一个重要应用是在新能源汽车中制造主驱逆变器、DC/DC 转换器、充电系统中的车载充电机和充电桩等，在这些领域中未来将大面积取代硅，此外，碳化硅在光伏、风电、高速列车等领域也有广泛应用。
和传统的半导体一样，第三代半导体的产业链也包括上游的材料和设备，中游的芯片设计、制造和封测，下游的应用。不同在于，第三代半导体的区别主要在于材料，因此IT之家在讲解时也更侧重于从产业链上游层面来说明。
由于氮化镓和碳化硅是第三代半导体的主要材料，因此这一部分我们以这两种材料为线、碳化硅
碳化硅的生产步骤包括单晶生长、外延层生长以及器件制造，分别对应衬底、外延和器件。总体来说，碳化硅产业目前主要处于国外企业垄断的局面。
氮化镓和碳化硅的情况类似，目前产业也仍然被国外企业把持，国内企业的发展相对薄弱，且主要集中在军工方面。
3、中国新基建和消费电子市场需求庞大，将为第三代半导体产业的增长打开空间。
当然，比上面这些更重要的是国家意志的推动。在美国限制措施越来越紧的背景下，先进半导体材料已上升至国家战略层面。国家在 2025 中国制造中提到，2025 要实现在 5G 通信、高效能源管理中的国产化率达到 50%；在新能源汽车、消费电子中实现规模应用。这些目标背后离不开第三代半导体的打底。
