什么是导体、绝缘体、半导体？
容易导电的物质叫导体，如：金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐
的水溶液等都是导体。
不容易导电的物质叫做绝缘体，如：橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、
油、空气等都是绝缘体。
所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗、砷化
镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。半导体大体上可以分为两类，即本征半导体和
杂质半导体。
本征半导体是指纯净的半导体，
这里的纯净包括两个意思，
一是指
半导体材料中只含有一种元素的原子；
二是指原子与原子之间的排列是有一定规
律的。本征半导体的特点是导电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化。
杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素
（称杂质）
所形成的半
导体。杂质半导体有两类：
N
型半导体和
P
型半导体。
作者/朱公子
第三代半导体
我估摸着只要是炒股或者是关注二级市场的朋友们，这几天一定都没少听这词儿，如果不是大盘这几天实在是太惨了，估计炒作行情会比现在强势的多得多。
那到底这所谓的第三代半导体，到底是个什么玩意？值不值得炒？未来的逻辑在哪儿？
接下来，只要您能耐着性子好好看，我保证给它写的人人都能整明白，这可比你天天盯着大盘有意思的多了！
一、为什么称之为第三代半导体？
1、重点词
客官们就记住一个关键词—— 材料 ，这就是前后三代半导体之间最大的区别。
2、每一代材料的简述
①第一代半导体材料： 主要是指硅（Si）、锗元素（Ge）半导体材料。
兴起时间： 二十世纪五十年代。
代表材料： 硅（Si）、锗（Ge）元素半导体材料。
应用领域： 集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业。
历史 意义： 第一代半导体材料引发了以集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。
对于第一代半导体材料，简单理解就是：最早用的是锗，后来又从锗变成了硅，并且几乎完全取代。
原因在于： ①硅的产量相对较多，具备成本优势。②技术开发更加完善。
但是，到了40纳米以下，锗的应用又出现了，因为锗硅通道可以让电子流速更快。现在用的锗硅在特殊的通道材料里会用到，将来会涉及到碳的应用，下文会详细讲解。
②第二代半导体材料： 以砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）为代表，是4G时代的大部分通信设备的材料。
兴起时间： 20世纪九十年代以来,随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起,以砷化镓、锑化铟为代表的第二代半导体材料开始崭露头角。
代表材料： 如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。
应用领域： 主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。
因信息高速公路和互联网的兴起，还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和 GPS 导航等领域。
性能升级： 以砷化镓为例，相比于第一代半导体，砷化镓具有高频、抗辐射、耐高温的特性。
总结： 第二代是使用复合物的。也就是复合半导体材料，我们生活中常用的是砷化镓、磷化铟这一类材料，可以用在功放领域，早期它们的速度比较快。
但是因为砷含剧毒！所以现在很多地方都禁止使用，砷化镓的应用还只是局限在高速的功放功率领域。而磷化铟则可以用来做发光器件，比如说LED里面都可以用到。
③第三代半导体材料： 以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）、金刚石为四大代表，是5G时代的主要材料。
起源时间： M国早在1993年就已经研制出第一支氮化镓的材料和器件。而我国最早的研究队伍——中国科学院半导体研究所，在1995年也起步了该方面的研究。
重点： 市场上从半年前炒氮化镓的充电器时，市场的反应一直不够强烈，那是因为当时第三代半导体还没有被列入国家“十四五”这个层级的战略部署上，所以单凭氮化镓这一个概念，是不足以支撑整个市场逻辑的！
发展现状： 在5G通信、新能源 汽车 、光伏逆变器等应用需求的明确牵引下，目前，应用领域的头部企业已开始使用第三代半导体技术，也进一步提振了行业信心和坚定对第三代半导体技术路线的投资。
性能升级： 专业名词咱们就不赘述了，通俗的说，到了第三代半导体材料这儿，更好的化合物出现了，性能优势就在于耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低。
有一点我觉得需要单独提一下：碳化硅与氮化镓相比较，碳化硅的发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率：在高功率应用中，碳化硅占据统治地位；氮化镓具有更高的电子迁移率，因而能够比碳化硅具有更高的开关速度，所以在高频率应用领域，氮化镓具备优势。
第三代半导体的应用
咱们重点说一说碳化硅 。碳化硅在民用领域应用非常广泛：其中电动 汽车 、消费电子、新能源、轨道交通等领域的直流、交流输变电、温度检测控制等。
咱先举两个典型的例子：
1.2015年，丰田 汽车 运用碳化硅MOSFET的凯美瑞试验车，逆变器开关损耗降低30%。
2.2016年，三菱电机在逆变器上用到了碳化硅，开发出了全世界最小马达。
而其他军用领域上，碳化硅更是广泛用于喷气发动机、坦克发动机、舰艇发动机、风洞、航天器外壳的温度、压力测试等。
为什么我说要重点说说碳化硅呢？因为半导体产业的基石正是 芯片 ，而碳化硅，正因为它优越的物理性能，一定是将来 最被广泛使用在制作半导体芯片上的基础材料 ！
①优越的物理性能：高禁带宽度（对应高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率。而且，碳化硅MOSFET将与硅基IGBT长期共存，他们更适合应用在高功率和高频高速领域。
②这里穿插了一个陌生词汇：“禁带宽度”，这到底是神马东西？
这玩意如果解释起来，又得引申出如“能带”、“导带”等一系列的概念，如果不是真的喜欢，我觉得大家也没必要非去研究这些，单说在第三代半导体行业板块中，能知道这一个词，您已经跑赢90%以上的小散了。
客观们就主要记住一个知识点吧： 对于第三代半导体材料，越高的禁带宽度越有优势 。
③主要形式：“衬底”。半导体芯片又分为：集成电路和分立器件。但不论是集成电路还是分立器件，其基本结构都可划分为“衬底 -外延-器件”结构，而碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。
④生产工艺流程：
原料合成——晶体生长——晶锭加工——晶体切割——晶片研磨——晶片抛光——晶片检测——晶片清洗
总结：晶片尺寸越大，对应晶体的生长与加工技术难度越大，而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。目前国际碳化硅晶片厂商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片，CREE、II-VI等国际龙头企业已开始投资建设8英寸碳化硅晶片生产线。
⑤应用方向：科普完知识、讲完生产制造，最终还是要看这玩意儿怎么用，俩个关键词：功率器件、射频器件。
功率器件： 最重要的下游应用就是—— 新能源 汽车 ！
现有技术方案：每辆新能源 汽车 使用的功率器件价值约700美元到1000美元。随着新能源 汽车 的发展，对功率器件需求量日益增加，成为功率半导体器件新的增长点。
新能源 汽车 系统架构中，涉及到功率器件包括——电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC）和非车载充电桩。碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器。
另外还应用领域也包括——光伏发电、轨道交通、智能电网、风力发电、工业电源及航空航天等领域。
射频器件： 最重要的下游应用就是—— 5G基站 ！
微波射频器件，主要包括——射频开关、LNA、功率放大器、滤波器。5G基站则是射频器件的主要应用方向。
未来规模：5G时代的到来，将为射频器件带来新的增长动力！2025年全球射频器件市场将超过250亿美元。目前我国在5G建设全球领先，这也是对岸金毛现在狗急跳墙的原因。
我国未来计划建设360万台-492万台5G宏基站，而这个规模是4G宏基站的1.1-1.5倍。当前我国已经建设的5G宏基站约为40万台，未来仍有非常大的成长空间。
半导体行业的核心
我相信很多客官一定有这样的疑问： 芯片、半导体、集成电路 ，有什么区别？
1.半导体：
从材料方面说 ，教科书上是这么描述的：Semiconductor，是常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的一类材料；
按功能结构区分， 半导体行业可分为：集成电路（核心）、分立器件、光电器件及传感器四大类。
2.集成电路（IC， integrated circuit）：
最经典的定义就是：将晶体管、二极管等等有源元件、电阻器、电容器等无源元件，按照一定的电路互联，“集成”在一块半导体单晶片上，从而完成特定的电路或者系统功能。
3.芯片：
半导体元件产品的统称 ，是指内含集成电路的硅片，是集成电路的载体，由晶圆分割而成。硅片是一块很小的硅，内含集成电路，它是计算机或者其他电子设备的一部分。
为什么说集成电路，是半导体行业的核心？ 那是因为集成电路的销售比重，基本保持在半导体销售额的80%。
比如，2018年全球4700亿美元的半导体销售额中，集成电路共计3900亿美元，占比达84%。
第三代半导体的未来方向
中国半导体业进入IDM模式是大势所趋，其长久可持续性我非常认可。但是讲到IDM，又有一堆非常容易混淆的概念，篇幅实在是太长了，咱们就不再拆分来讲了，你只要知道IDM最牛逼就完事了！
IDM： 直译：Integrated Design and Manufacture， 垂直整合制造 。
1.IDM企业： IDM商业模式，就是国际整合元件制造商模式。其厂商的经营范围涵盖了IC设计、IC制造、封装测试等各个环节，甚至也会延伸到下游电子终端。典型厂商：Intel、三星、TI（德州仪器）、东芝、ST（意法半导体）等。
2.IDM模式优势：
（1）IDM模式的企业，内部有资源整合优势，从IC设计到IC制造所需的时间较短。
（2）IDM企业利润比较高。根据“微笑曲线”原理，最前端的产品设计、开发与最末端的品牌、营销具有最高的利润率，中间的制造、封装测试环节利润率较低。
（3）IDM企业具有技术优势。大多数的IDM企业都有自己的IP（知识产权），技术开发能力比较强，具有技术领先优势。
3.IDM重要性
IDM的重要性是不需要用逻辑去判断的，全球集成电路市场的60%由IDM企业所掌握。比如三星电子、恩智浦、英飞凌、NXP等。
4.中国为什么要发展IDM模式？
IDM模式的优势： 产业链内部直接整合、具备规模效应、有效缩短新产品上市时间、并将利润点留在企业内部。
市场的自然选择： 此外，中国已成为全球最大的集成电路消费市场，并具有丰富的劳动力资源，对于发展自有品牌的IDM具有市场优势和成本优势。
现在，无论是被M国的封锁倒逼出来，还是我们自主的选择，我们都必须开拓出一条中国IDM发展之路！
现状： 目前国内现有的所谓IDM，其制造工艺水平和设计能力相当低，比较集中在功率半导体，产品应用面较窄，规模做不大。我知道，这些事实说出来挺让人沮丧的，但这就是事实。
但正因为我们目前处在相对落后的阶段，才更加需要埋头苦干、咬牙追赶，然后一举拿下！
本来写这篇文章的时候不想说股的，但还是提几只吧，也算是给咱们国家的半导体事业做一点点微小的贡献。
射频类相关优质标的：卓胜微、中天 科技 、和而泰、麦捷 科技 ；
IDM相关优质标的：中环股份、上海贝岭、长电 科技 。
晶体是在物相转变的情况下形成的.物相有三种,即气相、液相和固相.只有晶体才是真正的固体.由气相、液相转变成固相时形成晶体,固相之间也可以直接产生转变.
晶体生成的一般过程是先生成晶核,而后再逐渐长大.一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；②生长阶段.
在某种介质体系中,过饱和、过冷却状态的出现,并不意味着整个体系的同时结晶.体系内各处首先出现瞬时的微细结晶粒子.这时由于温度或浓度的局部变化,外部撞击,或一些杂质粒子的影响,都会导致体系中出现局部过饱和度、过冷却度较高的区域,使结晶粒子的大小达到临界值以上.这种形成结晶微粒子的作用称之为成核作用.
介质体系内的质点同时进入不稳定状态形成新相,称为均匀成核作用.
在体系内的某些局部小区首先形成新相的核,称为不均匀成核作用.
均匀成核是指在一个体系内,各处的成核几宰相等,这要克服相当大的表面能位垒,即需要相当大的过冷却度才能成核.
非均匀成核过程是由于体系中已经存在某种不均匀性,例如悬浮的杂质微粒,容器壁上凹凸不平等,它们都有效地降低了表面能成核时的位垒,优先在这些具有不均匀性的地点形成晶核.因之在过冷却度很小时亦能局部地成核.
在单位时间内,单位体积中所形成的核的数目称成核速度.它决定于物质的过饱和度或过冷却度.过饱和度和过冷却度越高,成核速度越大.成核速度还与介质的粘度有关,轮度大会阻碍物质的扩散,降低成核速度. 晶核形成后,将进一步成长.下面介绍关于晶体生长的两种主要的理论.
一、层生长理论
科塞尔(Kossel,1927)首先提出,后经斯特兰斯基(Stranski)加以发展的晶体的层生长理论亦称为科塞尔—斯特兰斯基理论.
它是论述在晶核的光滑表面上生长一层原子面时,质点在界面上进入晶格"座位"的最佳位置是具有三面凹入角的位置(图I-2-1中k).质点在此位置上与晶核结合成键放出的能量最大.因为每一个来自环境相的新质点在环境相与新相界面的晶格上就位时,最可能结合的位置是能量上最有利的位置,即结合成键时应该是成键数目最多,释放出能量最大的位置.图I一2—1示质点在生长中的晶体表面上所可能有的各种生长位置：
k为曲折面,具有三面凹人角,是最有利的生长位置；其次是S阶梯面,具有二面凹入角的位置；最不利的生长位置是A.由此可以得出如下的结论即晶体在理想情况下生长时,先长一条行列,然后长相邻的行列.在长满一层面网后,再开始长第二层面网.晶面(最外的面网)是平行向外推移而生长的.这就是晶体的层生长理论,用它可以解释如下的一些生长现象.
1)晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态.
2)在晶体生长的过程中,环境可能有所变化,不同时刻生成的晶体在物性(如颜色)和成分等方面可能有细微的变化,因而在晶体的断面上常常可以看到带状构造(图I-2-2).它表明晶面是平行向外推移生长的.
3)由于晶面是向外平行推移生长的,所以同种矿物不同晶体上对应晶面间的夹角不变.
4)晶体由小长大,许多晶面向外平行移动的轨迹形成以晶体中心为顶点的锥状体称为生长锥或砂钟状构造(图I-2-3、I-2-4、I-2-5).在薄片中常常能看到.
然而晶体生长的实际情况要比简单层生长理论复杂得多.往往一次沉淀在一个晶面上的物质层的厚度可达几万或几十万个分子层.同时亦不一定是一层一层地顺序堆积,而是一层尚未长完,又有一个新层开始生长.这样继续生长下去的结果,使晶体表面不平坦,成为阶梯状称为晶面阶梯(图I-2-5).科塞尔理论虽然有其正确的方面,但实际晶体生长过程并非完全按照二维层生长的机制进行的.因为当晶体的一层面网生长完成之后,再在其上开始生长第二层面网时有很大的困难,其原因是已长好的面网对溶液中质点的引力较小,不易克服质点的热振动使质点就位.因此,在过饱和度或过冷却度较低的情况下,晶的生长就需要用其它的生长机制加以解释.
在晶体生长过程中,不同晶面的相对生长速度如何,在晶体上哪些晶面发育,下面介绍有关这方面的几种主要理论.
一、 布拉维法则
早在1855年,法国结晶学家布拉维(A．Bravis)从晶体具有空间格子构造的几何概念出发,论述了实际晶面与空间格子构造中面网之间的关系,即实际晶体的晶面常常平行网面结点密度最大的面网,这就是布拉维法则.
布拉维的这一结论系根据晶体上不同晶面的相对生长速度与网面上结点的密度成反比的推论引导而出的.所谓晶面生长速度是指单位时间内晶面在其垂直方向上增长的厚度.如图I一2—9所示,晶面AB的网面上结点的密度最大,网面间距也最大,网面对外来质点的引力小,生长速度慢,晶面横向扩展,最终保留在晶体上；CD晶面次之；BC晶面的网面上结点密度最小,网面间距也就小,网面对外来质点引力大,生长速度最快,横向逐渐缩小以致晶面最终消失；因此,实际晶体上的晶面常是网面上结点密度较大的面.
总体看来,布拉维法则阐明了晶面发育的基本规律.但由于当时晶体中质点的具体排列尚属未知,布拉维所依据的仅是由抽象的结点所组成的空间格子,而非真实的晶体结构.因此,在某些情况下可能会与实际情况产生一些偏离.1937年美国结晶学家唐内—哈克(Donnay－Harker)进一步考虑了晶体构造中周期性平移(体现为空间格子)以外的其他对称要素(如螺旋轴、滑移面)对某些方向面网上结点密度的影响,从而扩大了布拉维法则的适用范围.
布拉维法则的另一不足之处是,只考虑了晶体的本身,而忽略了生长晶体的介质条件.
由液相变为固相 由气相变为固相 由固相再结晶为固相
晶体是在物相转变的情况下形成的.物相有三种,即气相、液相和固相.只有晶体才是真正的固体.由气相、液相转变成固相时形成晶体,固相之间也可以直接产生转变.
由液相变为固相
(1)从熔体中结晶 当温度低于熔点时,晶体开始析出,也就是说,只有当熔体过冷却时晶体才能发生.如水在温度低于零摄氏度时结晶成冰；金属熔体冷却到熔点以下结晶成金属晶体.
(2)从溶液中结晶 当溶液达到过饱和时,才能析出晶体.其方式有：
1)温度降低,如岩浆期后的热液越远离岩浆源则温度将渐次降低,各种矿物晶体陆续析出； 2)水分蒸发,如天然盐湖卤水蒸发, 3)通过化学反应,生成难溶物质.
决定晶体生长的形态,内因是基本的,而生成时所处的外界环境对晶体形态的影响也很大.同一种晶体在不同的条件生长时,晶体形态是可能有所差别的.现就影响晶体生长的几种主要的外部因素分述如下.
涡流 温度 杂质 粘度 结晶速度
影响晶体生长的外部因素还有很多,如晶体析出的先后次序也影响晶体形态,先析出者有较多自由空间,晶形完整,成自形晶；较后生长的则形成半自形晶或他形晶.同一种矿物的天然晶体于不同的地质条件下形成时,在形态上、物理性质上部可能显示不同的特征,这些特征标志着晶体的生长环境,称为标型特征.
1．晶体的溶解
把晶体置于不饱和溶液中晶体就开始镕解.由于角顶和棱与溶剂接触的机会多,所以这些地方溶解得快些,因而晶体可溶成近似球状.如明矾的八面体溶解后成近于球形的八面体(图I一2—14).
晶面溶解时,将首先在一些薄弱地方溶解出小凹坑,称为蚀像.经在镜下观察,这些蚀象是由各种次生小晶面组成.图I一2—15表示方解石与白云石(b)晶体上的蚀像.不同网面密度的晶面溶解时,网面密度大的晶面先溶解,因为网面密度大的晶面团面间距大,容易破坏.
2．晶体的再生
破坏了的和溶解了的晶体处于合适的环境又可恢复多面体形态,称为晶体的再生(图I一2—16),如班岩中石英颗粒的再生(图I一2—17).
溶解和再生不是简单的相反的现象.晶体溶解时,溶解速度是随方向逐渐变化的,因而晶体溶解可形成近于球形；晶体再生时,生长速度随方向的改变而突变,因之晶体又可以恢复成几何多面体形态.
晶体在自然界的生长往往不是直线型进行的,溶解和再生在自然界常交替出现,使晶体表面呈复杂的形态.如在晶体上生成一些窄小的晶面,或者在晶面上生成一些特殊的突起和花纹.
人工合成晶体
对天然矿物晶体生长的研究有助于了解矿物、岩石、地质体的形成及发展历史,并为矿物资源的开发和利用提供一些有益的启发性资料.人工合成品体则不仅可以模拟和解释天然矿物的形成条件,更重要的是能够提供现代科学校术所急需的晶体材料.
近年来人工合成晶体实验技术迅速发展,成功地合成了大量重要的晶体材料,如激光材料、半导体材料、磁性材料、人造宝石以及其它多种现代科技所要求的具有特种功能的晶体材料.当前人工合成晶体已成为工业主要文柱的材料科学的一个重要组成部分.
人工合成晶体的主要途径是从溶液中培养和在高温高压下通过同质多像的转变来制备(如用石墨制备金刚石)等.具体方法很多,下面简要介绍几种最常用的方法.
(1)水热法 这是一种在高温高压下从过饱和热水溶液中培养晶体的方法.用这种方法可以合成水晶、刚玉(红宝石、蓝宝石)、绿柱石(祖母绿、海蓝宝石)、石榴子石及其它多种硅酸盐和钨酸盐等上百种晶体.
晶体的培养是在高压釜(图I一2—18)内进行的.高压釜由耐高温高压和耐酸碱的特种钢材制成.上部为结晶区,悬挂有籽晶；下部为溶解区,放置培养晶体的原料,釜内填装溶剂介质.由于结晶区与溶解区之间有温度差(如培养水晶,结晶区为330-350℃,溶解区为360-380℃)而产生对流,将高温的饱和溶液带至低温的结晶区形成过饱和析出溶质使籽晶生长.温度降低并已析出了部分溶质的溶液又流向下部,溶解培养料,如此循环往复,使籽晶得以连续不断地长大.
(2)提拉法 这是一种直接从熔体中拉出单晶的方法.其设备如图I一2—19所示.熔体置柑塌中,籽晶固定于可以旋转和升降的提拉杆上.降低提拉杆,将籽晶插入熔体,调节温度使籽晶生长.提升提拉杆,使晶体一面生长,一面被慢慢地拉出来.这是从熔体中生长晶体常用的方法.用此法可以拉出多种晶体,如单晶硅、白钨矿、钇铝榴石和均匀透明的红宝石等.
(3)焰熔法 这是一种用氢氧火焰熔化粉料并使之结晶的方法.图I-2-20为此法的示意图.小锤1敲打装有粉料的料筒2,粉料受振动经筛网3而落下,氧经入口4进入将粉料下送,5是氢的入口,氢和氧在喷口6处混合燃烧,粉料经火焰的高温而熔化并落于结晶杆7上,控制杆端的温度,使落于杆端的熔层逐渐结晶.为使晶体生长有一定长度,可使结晶杆逐渐下移.用这种方法成功地合成了如红宝石、蓝宝石、尖晶石、金红石、钛酸锶、钇铝榴石等多种晶体.
补充:晶体形成过程中的临界核子研究 http://www.chinainfo.gov.cn/data/200203/1_20020319_30249.html
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