5分钟快充的GaN密码 x 诺奖级LED照明革命 | 了解半导体与未来科技 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

看不见却无处不在！从LED照明到闪电快充，从太阳能板到5G通信……半导体悄然驱动着现代文明的每一次跃迁。今天，我们就来聊聊有着“现代科技基石”之称的半导体。

半导体通常被定义为导电性介于导体与绝缘体之间的材料，它如同一个电控开关，通过外部电压控制，能够实现“导通-绝缘”的可逆切换，这一开关效应的物理基础正是PN结。

以最常见的半导体材料“硅”为例，原子最外层有4个电子，与相邻原子形成4个共价键，常温下本征硅导电性非常弱，近似绝缘体，但掺入杂质后导电性会发生改变：

若掺入5价磷原子，产生多余电子，形成N型半导体；

若掺入3价硼原子，就会形成空穴，变成P型半导体。

虽然掺杂后的P/N型半导体导电性增强了，但只有两者结合形成PN结，才能实现半导体器件的核心功能——单向导电性。

拿我们天天用的充电器来说，最关键的“控电”技术活儿就是半导体干的。

我们看到生活中很多充电器都包含一根线和一个头。能否省去充电头？它的核心作用是什么？

拆解手机充电头可以看到一个直接接入220V交流电的桥式整流芯片——由四个二极管构成。二极管的核心在于PN结，其实就是两个掺杂的半导体材料——P型的空穴多，N型的自由电子多，结合后会形成一个动态平衡区。

当接入正向电压，允许电流通过；反之则阻断电流。

正是利用二极管的单向导电性，桥式整流电路巧妙地将交流电转换为单向脉冲直流电。后续电路再将其滤波稳压，输出稳定的低压直流电，这样就能给设备安全供电了。

这一交流/直流转换功能，就是半导体在新一代充电技术中的核心价值所在。

此刻你正看着的LED屏也属于半导体，还是一款典型的半导体发光器件。

LED（发光二极管）能将电能直接转化为光能，这是因为，当施加正向电压时，N型区的电子和P型区的空穴分别注入到活性层进行复合，以光子形式释放能量。

LED照明显示技术虽仅“三十而立”，却是商业化最成功的划时代发明之一。20世纪60年代，半导体首次被点亮，发出了微弱红光；随后绿光LED问世；90年代，蓝光LED终于实现P型GaN的高亮度研制。集齐红、绿、蓝三原色，第一盏接近自然光的白色LED诞生了，人类由此迈入LED时代，这被誉为人类照明史上的第三次革命。2014年，三位科学家因为在蓝光LED的突出贡献荣获诺贝尔物理学奖。

但即便是现在，光电转化效率还是非常低的。以氮化镓材料为例，N型半导体激活率可达到60%-80%，而商用P型半导体却不足5%。

科研人员打了个比方，这就像是粗水管与细水管相接，出水率取决于细的那根。如果将P型激活率从5%增加到50%，那么在同等功率的情况下，20瓦LED灯就能达到200瓦的光效，这将是多么伟大的创举！

半导体不仅能做“发光体”，还能当“光侦探”，帮我们捕捉到肉眼看不到的世界。

科研人员通过实验演示了这一过程：搭建好一台光电探测器后，遥控器发射的红外光照射在器件上，产生的电信号瞬间经过皮安表传输给示波器，在屏幕上呈现出特征波形。不同按钮的编码信息各不相同，但都包含了起始码、数据和结束码，主打一个“有始有终”的完整信号结构。

这背后的原理在于，当光照射半导体探测器时，里面的电子会从低能级跃迁到高能级，在电场的驱动下奔向两边的电极，从而形成电流——这就是半导体把光信号转为电信号的全过程。

纵观半导体材料的发展，虽然可选材料日益丰富，但有趣的是，常用半导体材料在元素周期表上高度集中，主要分布在III、IV、V族。根据材料特性和应用不同，半导体被分为：

第一代半导体，以硅（Si）、锗(Ge)为代表，核心功能在于电流控制，主要应用于集成电路、多晶硅太阳能电池；

第二代半导体，以砷化镓（GaAs）、砷化铟（InAs）、磷化镓（GaP）等III-V族化合物为代表，核心特性在于优异的光电性能，主要应用在红光激光器、手机射频芯片以及航天器太阳能电池等特种领域。这是对第一代半导体应用方向的拓展，而非简单升级；

第三代半导体，以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等宽禁带化合物为代表，相较于第一代，耐高压、耐高温带来了性能质的飞跃，主要应用于大功率电力电子领域。如同将塑料水管升级为不锈钢管，可控制更大水流、更高水压一样。

现如今，还发展到了第四代半导体，主要是氧化镓（Ga2O3）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）等超宽禁带半导体材料。

正因为这些材料的不断迭代与升级，经得起更大电流的高压传输，让手机充电速度从一整晚缩短至半小时甚至5分钟；同样是65W的充电器，应用了氮化镓半导体，体积较传统硅基充电器缩小50%左右；在提升功率的同时降低发热，适用性也更强。这可以说是我们对于半导体材料迭代最直观的感受了。

此外，随着集成电路中的硅基器件逐渐逼近其物理极限，开发新型高性能、低功耗半导体材料与器件，成为全球科技研发热点。其中，二硫化钼（MoS2）、二硒化钨（WSe2）、硒化铟（InSe）、二硒化铂（PtSe2）等超薄二维层状半导体材料，因迁移率高、带隙可调、可与硅基工艺相兼容等特点，有望弥补硅基技术路线中传统半导体材料性能的短板，推动未来集成电路制造技术的变革性发展。

来源：松山湖材料实验室

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