近期，第三代半導體產業將寫入「十四五」規劃的消息在網絡上傳播。第三代半導體主要是指氮化鎵和碳化矽、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等寬禁帶半導體，它們通常都具有高擊穿電場、高熱導率、高遷移率、高飽和電子速度、高電子密度、可承受大功率等特點。
但是，很多人容易被「第三代」半導體這個名字誤導。
賽道不同
第一代、第二代、第三代半導體之間應用場景是有差異的。以矽（Si）、鍺（Ge）為代表的第一代半導體應用場景十分廣泛，從尖端的CPU、GPU、存儲晶片，再到各種充電器中的功率器件都可以做。雖然在某些領域的性能方面表現不佳，但還有性價比助其佔據市場。第二代半導體以砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）、磷化銦（InP）為代表，主要應用領域為光電子、微電子、微波功率器件等。第三代半導體以碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石為代表，主要應用領域為功率器件、光電子、射頻。
第三代半導體和第二代、第一代之間不是迭代關係，它們的應用場景有交叉，但不完全重合。
第三代半導體有其擅長的領域，在自己的應用領域內性能是可以超過矽、鍺等傳統半導體材料，但在領域外，還是矽的天下。
什麼是半導體?
有些人看到這個問題可能會覺得答案很簡單。半導體嘛，就是電阻率介於導體和絕緣體之間的材料。電阻率高的幾乎不導電的就是絕緣體，電阻率低的很容易導電的就是導體。
以上理解並不能算錯，但如果想研究半導體材料，以上理解是完全不夠的。比如如何看待電阻率很高的金剛石被列為第三代「半導體」材料，以及如何看待「超導金剛石」的相關研究？顯然要理解這些問題需要更深層的理論。
能帶理論就能很好的解決這些問題。
眾所周知，電子是圍繞原子核旋轉的，如上圖所示。其中2p、3s之類的就是電子的軌道。電子在不同軌道上具有不同的能量，這些能量值就是能級了。
在現實中基本不會有一個原子單獨存在的情況，大多都是一堆原子聚集在一起。
如果多個原子排在一起的話，那麼一個電子就會受到其它原子的影響，這些原子的電子軌道（量子態）就會發生交疊，在這種交疊的情況下電子就可以從一個原子轉移到另一個原子上。既然電子可以從一個原子轉移到另一個原子上，那麼它也可以繼續轉移到下一個原子上，所以說電子可以通過這種方式在整個晶體中運動，這種運動稱為共有化運動。
舉個通俗的例子，我們每個人就像電子，而這些軌道就像地鐵的線路一樣。這些地鐵線路是有交疊的地方，有些交疊的地方被設置為換乘車站，可以從一條線路換成另一條線路。因為換乘線路的存在，我們可以通過換乘的方式到達地鐵線路中的任意一個站點。電子的共有化運動也是類似這樣。
正因為在其它原子的影響下，能級分裂成了能帶。當原子周期性排列形成晶體互相靠近時，每一個能級都分裂為很多彼此相距很近的能級，形成能帶。
其中內層電子共有化運動弱，能級分裂小，能帶窄；外殼層電子共有化運動顯著，能帶寬。
價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶；
導帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶；
禁帶：導帶底與價帶頂之間能帶；
帶隙（禁帶寬度）：導帶底與價帶頂之間的能量差。
半導體和絕緣體之間差異最大的地方在于禁帶寬度，而在第三代半導體概念中的寬禁帶半導體，其中「寬禁帶」指的就是禁帶寬度比較寬。半導體的禁帶像標準的欄架，電子比較容易跨過，而絕緣體的禁帶則是高牆，電子幾乎不能跨過。
值得說明的一點是，禁帶寬度不是永恆不變的。比如同一種材料在不同溫度下的禁帶寬度是不一樣的。而且可以通過摻雜等方式改變禁帶寬度。
前文簡單介紹了什麼是半導體，那麼現在來說什麼是半導體的職責。
一個好的半導體一定要是一個可以選擇的狀態，若加電壓，導通，不加電壓，就應該關閉。
寬禁帶的優勢
第三代半導體主要是指寬禁帶半導體，那麼這個「寬禁帶」到底怎樣帶來性能優勢呢？
大家都知道電子的定向移動形成電流，而光照或者外加電壓，可以為其提供能量。
以金剛石為例，金剛石的禁帶寬度達5.5eV，遠大於Ge（0.67eV）、Si（1.12eV）和GaAs（1.43ev）等常規材料，這不僅保證了金剛石器件能在700-1000度下安全工作，有良好的抗輻射加固能力，而且大大提高了器件的雪崩擊穿電壓。
另外禁帶寬度也與場效應管的溝道導通電阻有關，禁帶寬度越大，相應器件就會具有較低的導通電阻。
金剛石熱導率很大，因此用金剛石製作的器件散熱性能良好。金剛石的介質擊穿場強也很高，大致為V/cm，所以能提高器件的最高工作溫度和功率。
同時金剛石的介電常數較低，這可以影響到器件的阻抗，並且有利於提高器件的工作頻率。
第三代半導體的應用
LED：
第三代半導體以氮化鎵、氮化鋁、氮化銦這些三族氮化物為例，這些氮化物半導體可以製作藍光LED、綠光LED，最終可以通過組合的方式實現白光LED。現在不少手機屏幕，顯示器的背部光源用的就是LED。
人類用氮化物製造LED的歷史其實有很長時間了，中村修二於1993年在日本日亞化學工業株式會社就職期間，基於GaN開發了高亮度藍色LED。中村修二於2014年與赤崎勇，天野浩因發明「高效藍色發光二極體」而獲得諾貝爾物理學獎。
紫外探測：
紫外探測是第三代半導體的重要應用之一。比如在高壓電線桿上有時候會出現放電的現象，這種現象稱之為「電暈」。高電壓設備電暈放電會產生紫外線，我們只需要檢測這些紫外線就能更好的監測電網設備的運行。同理也可以監測高鐵等其它設備上的電暈情況。再比如紫外探測可以檢測飛彈的尾焰、森林防火、船隻導航等用途。
高功率器件：
用第三代半導體製作的高功率器件具有體積更小、效率更高、性能更強等特點。比如各大廠商推出的GaN手機充電器。特別是手機開啟快充時代後，手機充電器的功率越來越大，如果繼續用傳統材料製作手機充電器，那麼體積就會太大進而不方便攜帶。而用GaN製作的手機充電器體積就能縮小很多。同理也可以用GaN製作筆記本電腦的電源適配器。
除了手機以外，其它更大的設備也可以使用類似的技術。比如新能源汽車的充電樁。對於電動汽車來說提高充電效率每年就可以省下不少的電力資源。同理也可以用於製作汽車上使用的IGBT。
用第三代半導體製作的器件可以在瞬間輸出巨大的能量，因此它也可以被用於製作航空母艦上的電磁彈射器，或者是艦船上的電磁炮。
射頻與微波：
在這方面，大家比較熟知的應該就是5G了。使用第三代半導體材料可以建造更加節能且性能更強的5G基站，而且也可以用於製作5G射頻晶片。
在軍用方面，第三代半導體可以用於製作包括相控陣雷達在內的各種軍用雷達。在AUSA2016上,雷聲公司展示了第一臺全尺寸的「愛國者」下一代雷達的原型機。這種新型雷達採用了AESA體制和氮化鎵(GaN)材料製成的晶片。「愛國者」防空系統原有的雷達是無源相控陣體制的AN/MPQ-53/65,其使用的是砷化鎵(GaAs)材料製成的晶片。
矽還是老大哥
在前文中提到過第三代半導體和第一代、第二代半導體因為應用場景方面的問題，並不屬於同一賽道。
那麼現在半導體市場上主流業務是什麼呢？是集成電路。而恰巧，在當前技術條件下第三代半導體不適合用於製作數字邏輯電路。第三代半導體的主戰場更多的會集中在分立器件上。
內容來自騰訊新聞