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2021年达摩院十大科技趋势报告(37页)

行业报告下载 2021年01月05日 08:52 4 管理员

半导体产业发展到今天,主要建立在三代材料的基础上:兴起于20世纪50年代 的基于硅(Si)、锗(Ge)的第一代半导体;兴起于20世纪80年代的以砷化 镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体;以及兴起于20世纪末的 以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体。目前,第一代半 导体材料Si应用最为广泛,它构成了一切逻辑器件的基础,CPU、GPU所提供 的算力都离不开Si的功劳。第二代半导体主要用于高频高速场景,例如手机中 的射频电路。第三代半导体相比于前两代半导体具有更宽的禁带宽度,因此也 称作宽禁带半导体。更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压、更 快的开关频率下运行,因此第三代半导体具备耐高温、耐高压、高频率、大功 率、抗辐射等优异特性,可以用作功率器件和射频器件,广泛应用于5G基站、 新能源汽车、特高压、消费电子、航空航天、数据中心等领域。

此外,较宽的 禁带宽度使第三代半导体可用作制备短波长光电器件,例如可用于医疗消毒的 紫外光源。由于制造设备、制备工艺特别是材料成本上的劣势,多年来第三代半导体材料 只是在小范围内应用。直至近几年这一局面才得以打破:一方面,在5G、新 能源汽车等新兴市场中,Si基半导体的性能已无法完全满足需求,第三代半导 体的性能优势被放大;另一方面,制备技术特别是大尺寸材料生长技术不断突 破,SiC和GaN两种材料均从4英寸换代到6英寸并已研发出8英寸样品,加之 器件制备技术逐步提升,使得第三代半导体器件性能日益稳定且成本不断下 降,性价比优势逐渐显现。 目前,第三代半导体已经出现在应用市场:一些新能源汽车在逆变器中应用 SiC功率器件提升电能转换效率,进而提升续航里程;不在少数的电子消费厂 商推出了GaN快速充电器,价格不贵,体积很小,一个快充头可以支撑手机、 电脑等多设备快速充电。未来5年,除现有的电动汽车和消费电子外,预计工 业充电、5G高频器件以及可再生能源和储能领域的电源应用都将从第三代半 导体的发展中受益,尤其是在高频高压应用中将竞争性取代原有的Si器件。

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