今年啊，手机市场显得较往年更冷。但这并不意味着手机本身没有进化，相反，手机有些功能的进化可能听起来一般般，但真用起来就感觉回不去了。就像前两天，小编玩了玩测试用的新手机，那个200W的充电速度着实让人震惊，以至于这两天用回之前的手机经常以为充电器坏了。快充技术的进步得益于多方面，其中一个重要原因就是用上了氮化镓充电头。要说氮化镓充电头的魔力，自然是来源于“氮化镓（GaN）”。
“氮化镓”其实是眼下最火热的第一代半导体的主要代表。那什么是第三代半导体？它凭啥这么火？今天本文就好好说道说道。其实呀，所谓的半导体是一类材料的总称，这类材料介于导体和绝缘体之间，能在一定条件下导电。它和芯片就好比是金属和铁锅的关系，芯片是半导体材料做的，半导体可绝不只是芯片。但半导体材料不仅仅用来做了芯片，还有其他很多用处例如作为关键器件来光伏发电、做节能的LED灯，甚至还可以用来做“炒酸奶”。
不仅如此，半导体还分一、二、三代半导体，眼下最热门的就是第三代半导体。但大家不要误会，这里的一二三代之间并没有一代更比一代强的关系，更多还是指不同类别的半导体。最为大家熟知的就是第一代半导体绝对主力：硅（Si），大部分芯片就是在一整片纯度在99.9999%以上的单晶硅上刻蚀出来的。
在芯片里，硅就发挥了有条件导电的特性，被制作成一个个微型开关（给条件就开，不给条件就关），千千万万个类似的微型开关组合起来就能完成很多复杂的命令，最终完成手机、电脑的运行。直到目前，90%以上的半导体产品仍是以硅制作。但是随着人类科技发展，大家慢慢发现硅在一些领域无法完美胜任工作。
举个例子，咱们手机里有种叫PA（功率放大器）的芯片，主要作用就是将手机信号放大传输给基站，早期厂商们就是用硅作为主要制作材料。但随着手机从2G转入3G再又发展到4G，大家用手机在网上冲浪的速度是越来越快，对PA传输要求自然水涨船高。这种情况下，硅质的PA芯片就出现了一系列问题，发热严重、损耗太多效率低、耐不住高电压等等，于是第二代半导体们就走上了历史舞台。
第二代半导体目前主要以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为主，相比于硅，它们可以更好地胜任高压、高频、高辐射的工作环境。伴随着3G、4G的发展，光纤通信带来的高频高压工作场景越来越多，于是第二代半导体乘上了时代的东风，手机、基站都腾笼换鸟把硅给换了。
而在此之前，第二代半导体已经悄悄地走进千家万户了，最常见的例子就是LED灯，第二代半导体能够更高效地把电转化为光，也就是用更少的电能够发出更亮的光，所以用砷化镓做出来的LED灯取代白炽灯也是前些年节能减排的代表。在第二代半导体火了之后，对它的研究也逐渐变多，使用场景也不断被开发。还记得手机界的刘海屏浪潮吗？
手机用上刘海屏的根本原因3D结构光技术，用到了一款VCSEL激光器（垂直腔面发射激光器），而制作这款VCSEL激光器的关键材料就是砷化镓。随着物联网、元宇宙概念的逐步发展，对VCSEL的需求不断增多还将持续增加对第二代半导体的需。但砷化镓们的好日子还没过多久，科技又进步了，很多应用场景变得更高压、更高频、更高功率，之前的第二代半导体又不够用了。于是就轮到第三代半导体闪亮登场了！
第三代半导体学名其实叫“宽禁带半导体”，目前以氮化镓和碳化硅（SiC）为主。可能你会问了，这个“宽禁带”是什么意思？我们知道，晶体中的电子是填充在能带中的，每个能带跨过一定能量范围。电子在能带中的填充服从费米狄拉克分布，每个能带可填充的电子数是有限的。电子从最低能量的能带开始，填满一个能带后，开始进入能量更高的能带。
如果晶体中的电子全部填充完成后，有电子占据的能量最高的能带没有被填满，则这样的晶体称为金属。如果电子恰好填满了若干能带，则这样的晶体称为绝缘体。被电子占据的能带称为价带，而未被电子占据的能带称为导带。价带和导带之间的能量不允许电子占据，称为禁带。半导体的禁带宽度比绝缘体更小，这造就了其独特的导电性。部分价带的电子可以穿过禁带进入导带，但这需要能量，禁带越宽则所需能量越高。
较高的电压或较高的温度可以提供这些能量。宽禁带半导体有着更大的禁带宽度，具有更耐高温、更耐高压的性质。同时，宽禁带半导体还有着“饱和电子漂移速度高”“二维电子气”等多种优势。这些优势让第三代半导体在耐高压、耐高温之外，还有更快的开关速度、更低的通态电阻等特性。最终呈现出来的就是小型、高效、驱动力强的“小钢炮”。
就像大家最常见的氮化镓充电器，在手机厂商们内卷到拼出200W闪充的今天，硅就力不从心了，受不了高压、体积又大、发热又高、效率又低，可以说避开了每一个正确选项。但用上了氮化镓，问题就迎刃而解了。在充电方面，第三代半导体的另一位主力，碳化硅也有着亮眼表现。不过和氮化镓充手机不一样，碳化硅充的是新能源车。如今城市里代步的新能源车是越来越多了，对充电桩的需求也越来越多，但市区的地可是寸土寸金。
所以充电桩得尽可能保证充电速度的前提下，又要小巧不占地儿，还得足够抗水、防尘，传统的硅基器件还是老毛病。这时候碳化硅顶着“全是优点”的帽子走进了厂商们视野。“如狼似虎”的厂商们巴不得分分钟和硅划清界限。再多说一句，建充电桩现在已经列入国家新基建的七大领域之一。小编认为，碳化硅未来将迎来起飞。不光是充电桩，碳化硅还被用在了新能源车本身。
如今新能源车企为了进一步解决里程焦虑，在电池能量密度提升已经遇到瓶颈的情况下，纷纷选择拥抱高压快充系统——800V高电压平台（简单理解成，可以实现充电5分钟，续航200km）。但问题也随之而来，搭载800V高电压平台的车型，意味着核心三电系统以及空调压缩机、DCDC（直流变压器）、OBC（车载充电机）等部件都需要在800V甚至1000V的高电压下工作。
这种情况下，硅基器件耐不住高电压、损耗率、开关损耗居高不下，碳化硅几乎是当下最好的选择。现在热门的物联网、光伏、5G等等这些行业，在使用传统半导体时遇到的几大痛点，刚好是第三代半导体材料的优势。那这不巧了吗？“第三代半导体这么完美，取代一二代半导体一统天下就分分钟的事了？”想太多了。一二三代半导体之间的关系更像是，汽车、火车和飞机，各有优势、谁也别提取代谁。
硅的基本盘是占据了全球99%以上的集成电路市场，只有第三代半导体成功“偷家”，在CPU、GPU领域干掉硅，那才能算取代第一代半导体。可目前看来第三代半导体是做不到了。最主要的问题就是第三代半导体太难制取。我们都知道，硅元素在在地壳中含量极高，占比足足有26.4%仅次于氧（O），如今的工艺可以直接从二氧化硅矿石中提取并且高度提纯。
可氮化镓在自然界几乎没有，它需要在10000个大气压和2000度的高温下人工合成，结果就是氮化镓晶体单片动辄上万块一个。莫桑钻就是碳化硅。碳化硅也类似，在自然界除了极少量天然莫桑石（对，就是大家瞧不上的钻石平替“莫桑钻”，虽然不如钻石稀有，但用在大面积工业上也还是太奢侈了）之外，主要还是要从石油焦、石英石中经过各种复杂工艺进行制造。
对比硅来说，第三代半导体的制作又费时又费钱，甚至还不如第二代半导体省事。尽管性能是好用，但耐不住人家便宜省事啊。就算真愿意花这么多代价去制取第三代半导体，它其实也并没有那么适配集成电路。还记得前面说的，第三代半导体对比第一代半导体的优势吗？耐高温、耐高压、可承受高频。但问题是常见的集成电路（电脑、手机等其他民用智能设备）根本用不上这些优势。
不仅如此，几十年发展下来，硅所拥有成熟复杂的制作工艺、庞大的产业体系更是第三代半导体们所望尘莫及的。制取困难、成本极高、没有突出优势、产业技术不成熟……这些问题也导致了第三代半导体没法成为半导体市场的主流力量。据研究机构TrendForce预测，第三代半导体的主力氮化镓市场到2025年仅有13.2亿美元，而碳化硅也就33.9亿美元。
与高达数千亿美元的半导体市场相比确实不够看，也难怪台积电董事长刘德音表示第三代半导体只是“特殊技术”。产业不够大，就没有足够的动力去推进发展技术，技术进步不了没法应用到更广的行业，这样就形成了一个死循环。不过虽然刘德音嘴上这么说，台积电的身体却很老实。
台积电早在2014年就开始在6英寸晶圆厂制造氮化镓组件；2015年开始生产用于低压和高压应用的氮化镓组件；2017年开始量产硅基氮化镓组件；去年年底有传闻称台积电已具备8英寸量产能。虽说目前第三代半导体还略显小众，但并不妨碍这是半导体材料发展的一大方向。不发展哪能进步，谁生下来就会跑呢？而且，我国在传统半导体行业长期落后已经不是一天两天。苦苦追了这么久，不能说毫无进步，但最多也就是略有改善。
可第三代半导体就不一样了，作为一个新兴技术，中西方站在同一起跑线。一起开跑，咱还没怕过谁。不说一举拿下下一代国际半导体生产链的主导权，至少总能保证不被国外卡脖子吧。毕竟，华为的教训已经够深刻了。