复合半导体是含有两种或更多元素的半导体。这些半导体晶体可以以不同的晶格常数和带隙能量生长，适合开发新型光电和电子设备。本文讨论了化合物半导体及其在优化设备能源效率中的作用。

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化合物半导体的重要性

大多数化合物半导体含有周期表第三组和第五组的元素。砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、氮化镓（GaN）、砷化铟（InAs）、锑化铟（InSb）、氮化铟（InN）和磷化铟（InP）是常见的III-V族化合物半导体。InP和GaAs主要用于光学和高频设备。

其他化合物半导体，如碲化镉（CdTe）、硒化镉（CdSe）和硒化锌（ZnSe），通常由第二组和第六组的元素组成。此外，来自同一组的不同元素，如第四组，也可用于合成碳化硅（SiC）和硅锗（SiGe）等化合物半导体。

在过去的商业应用中，化合物半导体没有像硅半导体那样被广泛使用，因为与硅相比，生长这些晶体更加困难。此外，化合物半导体的制造成本很高，而且晶体有很多缺陷。复合半导体也比单元素半导体更脆弱。

然而，近年来，化合物半导体的制造成本已经降低。尽管化合物半导体的制造成本和复杂性仍然高于传统的硅半导体，但化合物半导体的基本材料特性使其在一些应用中至关重要，特别是在传感和光电应用中。

例如，由于化合物半导体的直接带隙结构和使用几种化合物半导体合成带隙工程结构的灵活性，化合物半导体在用于固态照明、高密度数据存储和光伏的光电设备中发挥了关键作用。

因此，化合物半导体可用于创建量子结构和异质结构，如量子点（QD）和量子井（QW），它们被广泛用于光电设备，包括半导体光放大器、调制器、光电探测器和激光器。复合半导体的其他重要应用包括自主和电动汽车、无线电探测和测距（RADAR）、5G、移动性、能源和新商业模式。

复合半导体的固有特性，如在高频率和高温度下工作、较高的电子饱和速度、高效的光发射和检测、可变的热导率、压阻率、压电性和带隙的变化，是这些半导体比传统硅技术的主要优势。

微电机、微测辐射计、射频电感、波导开关、悬臂以及波长可调的微腔器件，如光电二极管、发光二极管（LED）、垂直腔表面发射激光器（VCSEL）、光放大器和光学滤波器，都是通过微机械加工复合半导体制造的。

由于其材料特性，使用第三组和第五组元素以及仅使用第四组元素制造的复合半导体被用于微系统。例如，基于砷化镓的半导体因其高压电性和卓越的热电性能而被广泛研究，用于制造集成传感器。

砷化镓可以满足最大热阻的要求，因为它的导热性明显低于硅。同样，由于砷化铝（AlGaAs）膜具有宽的能隙、高的塞贝克系数和压电特性，因此使用悬浮的砷化铝（AlGaAs）膜合成了特殊的测长红外传感器。

砷化镓基材料还被用来制造自组装的、应变驱动的三维（3D）微/纳米结构。由于在1.5μm和1.3μm波长的低色散和损耗，InP基材料被认为适合用于光纤通信系统的光源。

更宽的带隙化合物半导体材料，如SiC和GaN，可用于极端环境下的微机电系统（MEMS）应用。聚硅氧烷已被用于合成具有优异热电性能的微机械热电堆和栓塞器。

提高使用化合物半导体的设备的能源效率

人工智能（AI）和物联网（IoT）应用的不断部署以及向云计算的不断迁移，使得提高能源密集型IT基础设施的能源效率的需求不断增加。

复合半导体，特别是SiC，拥有比硅半导体更高的能源效率，这是因为SiC的反向电荷和能量损失显著降低，减少了关机和开机阶段所需的能量和更多的开关功率。

由于较低的热损失，也不需要冷却系统，这减少了设备的重量和空间，降低了基础设施成本。此外，由于SiC与纯硅相比具有更宽的带宽，因此可以在高工作温度下使用。

具有较宽带隙的复合半导体具有较高的电击穿场，对辐射的敏感性降低。SiC的高导热性使其能更好地散热。因此，使用SiC可以实现比硅更小的外形尺寸，从而实现更小的封装和更低的成本。

在SiC二极管中，电流和温度瞬变不影响恢复电流和时间，而不像硅二极管那样，恢复电流和时间都随着温度的升高而明显增加。因此，SiC二极管在与硅绝缘栅双极型晶体管（IGBT）反并联放置时，可以有效地减少能量损失。

在混合动力电动车等实际应用中，用SiC元件替代硅元件可以使牵引效率提高10%，这可以大大减少散热器的体积。

同样，使用GaN和SiC等宽带隙化合物半导体代替硅，可以制造出更快、更轻、更小、更可靠和更节能的电力电子元件。

总而言之，由于化合物半导体的材料特性优于硅半导体，而且在优化设备的能源效率方面发挥着作用，因此在未来将得到更广泛的应用。

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