一、分類依據(jù)：陽離子族系與晶體結(jié)構(gòu)

1. II類管（II-VI族化合物半導(dǎo)體）

• 陽離子：第II族元素（Zn、Cd、Hg、Mg等）

• 陰離子：第VI族元素（S、Se、Te、O等）

• 典型材料：ZnSe、CdTe、HgCdTe、ZnO

• 鍵合特性：以離子鍵為主（如Zn-Se鍵），晶格常因離子半徑差異導(dǎo)致失配，易產(chǎn)生缺陷。

• 能帶結(jié)構(gòu)：直接/間接帶隙混合（如ZnSe為直接帶隙，CdTe為直接帶隙，ZnO為直接帶隙但存在極化效應(yīng)）。

2. III類管（III-V族化合物半導(dǎo)體）

• 陽離子：第III族元素（Ga、In、Al等）

• 陰離子：第V族元素（As、P、N、Sb等）

• 典型材料：GaAs、InP、GaN、AlGaAs

• 鍵合特性：以共價鍵為主（如Ga-As鍵），晶格匹配性好，外延質(zhì)量高（如GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)）。

• 能帶結(jié)構(gòu)：直接帶隙為主（如GaAs、InP、GaN均為直接帶隙，光子躍遷效率高）。

二、關(guān)鍵特性對比

三、典型應(yīng)用場景

1. II類管的應(yīng)用

• 紅外探測器：

• 軍事熱成像：HgCdTe探測器覆蓋3~30 μm波長，用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、夜視儀（如FLIR Systems產(chǎn)品）。

• 醫(yī)療成像：CdTe探測器用于X射線CT掃描（如GE Healthcare的探測器模塊，劑量降低30%）。

• 紫外發(fā)光：

• 水處理：ZnO基UVC LED（波長260~280 nm）殺菌效率>99.9%（如韓國首爾偉傲世產(chǎn)品）。

• 太陽能電池：

• 薄膜電池：First Solar的CdTe電池效率達(dá)22.1%（2023年），成本<$0.20/W，用于大型地面電站。

2. III類管的應(yīng)用

• 射頻功率放大：

• 5G基站：Qorvo的GaN HEMT（QPD1025L）工作于28 GHz，輸出功率40 W，效率>70%。

• 衛(wèi)星通信：MACOM的InP HBT（MA4E1317）用于毫米波放大器（fT=300 GHz）。

• 高速光通信：

• 100Gbps光模塊：InGaAs PIN探測器用于數(shù)據(jù)中心（如Finisar的100G QSFP28模塊，誤碼率<10?12）。

• 激光器：GaAs基量子阱激光器用于光纖通信（波長850 nm/1310 nm，線寬<1 MHz）。

• 電力電子：

• 電動汽車：Transphorm的650V GaN HEMT（TP65H050WS）用于車載充電器，效率>98%，功率密度提升3倍。

• 數(shù)據(jù)中心電源：GaN器件實(shí)現(xiàn)48V直接到負(fù)載（POL）轉(zhuǎn)換，減少中間級損耗（如Vicor的48V模塊效率99%）。

• 高效照明：

• 通用照明：Cree的InGaN基LED（XLamp XP-G3）光效200 lm/W，壽命5萬小時，成本<$0.05/lm。

• 激光顯示：GaN基藍(lán)光激光器用于投影儀（如索尼的4K激光投影，亮度3,000流明）。

四、技術(shù)差異的本質(zhì)原因

1. 鍵合類型的影響

• II類管：離子鍵導(dǎo)致晶格振動（聲子）散射強(qiáng)，電子遷移率低（如ZnSe遷移率僅~200 cm2/V·s），高頻性能受限。

• III類管：共價鍵方向性強(qiáng)，晶格振動弱，電子遷移率高（如GaAs遷移率~8,500 cm2/V·s），適合高頻器件。

2. 能帶結(jié)構(gòu)的決定性作用

• II類管：直接帶隙材料（如CdTe）適合發(fā)光，但間接帶隙材料（如ZnO）需通過極化場增強(qiáng)輻射復(fù)合效率。

• III類管：直接帶隙材料（如GaN、InGaN）光子躍遷效率高，發(fā)光效率是II類管的10倍以上。

3. 熱導(dǎo)率的工程意義

• II類管：低熱導(dǎo)率（如CdTe僅6 W/m·K）導(dǎo)致功率器件散熱困難，僅適用于低功率應(yīng)用。

• III類管：高熱導(dǎo)率（如GaN達(dá)130 W/m·K）支持高功率密度，如特斯拉Model 3逆變器采用GaN模塊，功率密度達(dá)40 kW/L。

五、工程選擇指南

1. 選擇II類管的場景

• 高頻功率放大（GaN HEMT性能碾壓）。

• 高效照明（InGaN基LED成本更低、壽命更長）。

• 長波紅外探測需求（如HgCdTe覆蓋8~14 μm大氣窗口）。

• 特定波段紫外發(fā)光（如ZnO基UVC LED用于空氣凈化）。

• 必須滿足：

• 避免場景：

2. 選擇III類管的場景

• 紅外探測：InGaAs探測器可覆蓋0.9~3 μm波段，逐步取代部分II類管應(yīng)用。

• 高頻通信（如5G毫米波應(yīng)用需InP HBT）。

• 高壓/高功率轉(zhuǎn)換（如GaN HEMT用于650V電動車逆變器）。

• 高效發(fā)光（如InGaN基LED光效是CdTe的10倍以上）。

• 必須滿足：

• 替代潛力：

六、未來趨勢

1. II類管的局限與替代

• 紅外探測：量子點(diǎn)技術(shù)（如PbS膠體量子點(diǎn)）成本更低，響應(yīng)速度更快，威脅HgCdTe市場。

• 紫外發(fā)光：AlGaN基UVC LED（如日本Nitride Semiconductors產(chǎn)品）效率突破10%，可能取代ZnO。

2. III類管的擴(kuò)展邊界

• 通信：GaN on SiC技術(shù)將5G基站功率密度提升至10 W/mm（Cree 2024年目標(biāo)）。

• 電力電子：Si基GaN成本降至$0.10/W，2025年市占率預(yù)計超30%（Yole Développement預(yù)測）。

• 顯示：Micro-LED采用InGaN基藍(lán)光芯片，亮度達(dá)10? cd/m2，對比度超1,000,000:1（如蘋果Vision Pro）。

七、總結(jié)與建議

• II類管：僅在長波紅外探測和特定波段發(fā)光領(lǐng)域不可替代，但受限于工藝復(fù)雜性與成本，市場逐漸萎縮。

• III類管：高頻、高壓、高速光電性能全面領(lǐng)先，通過Si基GaN技術(shù)進(jìn)一步降低成本，主導(dǎo)主流應(yīng)用并持續(xù)擴(kuò)展邊界。

工程決策建議：

• 優(yōu)先選擇III類管，除非應(yīng)用場景明確需要II類管的長波紅外特性或特定紫外波段。

• 關(guān)注技術(shù)替代：如InGaAs探測器對II類管紅外探測的滲透，以及AlGaN基UVC LED對ZnO的競爭。