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从三个纬度看懂半导体

半导体行业观察(ID:icbank)| 来源

姚东来 | 作者

不提供二次转载

半导体,什么是半导体呢?常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料?这个解释大家能明白吗?能让不同行业的人一看就都能产生兴趣吗?接下来文章会对半导体行业做更多维度的解释,让他不再单独是物理化学家眼中常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,也不单纯是企业家实体生产厂家的电子信息产业的核心硬件基础,包括集成电路、光电器件、分立器件、传感器等四大类;同时也不是也不单单是产业链学者眼中的按产业链维度讲,半导体产业链自上而下包括上游以集成电路为代表的半导体产业、中游电子零部件及模组产业、下游整机组装及终端应用产业等等。文章试图通过作者根据材料了解的半导体,从尽可能更多的角度来剖析半导体,来让更多的读者能更好的从自己熟悉的视角找到与半导体接触的兴趣点。

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物理化学材料端对于半导体的理解

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体一般分为两类,元素半导体和化合物半导体,即在元素周期表的位置是4族的元素半导体和2族与6族的化合物所得。半导体还可以根据组成元素数量不同分为双元素化合物半导体、三元素化合物半导体。

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(一)单元素半导体

以单一元素组成的半导体,属于这一材料的有硼、锗、硅、灰锡、锑、硒、碲等,其中以锗、硅、锡研究较早,制备工艺相对成熟。元素半导体材料在元素周期表中的位置说明了半导体材料的性质与物质结构,特别是原子结构的关系,它们都居于周期表的A族。具有半导体特性的元素,如硅、锗、硼、硒、碲、碳、碘等组成的材料。

其导电能力介乎导体和绝缘体之间。一般电阻率在10-7~10-3之间。主要采用直拉法、区熔法或外延法制备。工业上应用最多的是硅、锗、硒。用于制作各种晶体管、整流器、集成电路、太阳能电池等方面。其他硼、碳(金刚石、石墨)、碲、碘及红磷、灰砷、灰锑、灰铅、硫也是半导体,但都尚未得到应用。

(二)二、六或者三、五族化合物双元素半导体

二、六或者三、五族化合物双元素半导体,即是指由两种确定的原子配比形成的化合物,并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。包括晶态无机化合物(如III-V族、II-VI族化合物半导体)及其固溶体、非晶态无机化合物(如玻璃半导体)、有机化合物(如有机半导体)和氧化物半导体等。通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体。

主要的二元化合物半导体有:砷化镓、磷化铟、硫化镉、碲化铋、氧化亚铜等。多采用布里奇曼法(由熔体生长单晶的一种方法)、液封直拉法、垂直梯度凝固法制备化合物半导体单晶,用外延法、化学气相沉积法等制备它们的薄膜和超薄层微结构化合物材料。用于制备光电子器件、超高速微电子器件和微波器件等方面。

(三)三元素化合物半导体

三元化合物半导体材料是指由三种已确定的原子配比形成的化合物,并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。从广义上来说,具有理想的Eg值的三元化合物半导体分为两类。第一类是通常所说的“赝二系”的化合物半导体,这种半导体是由两种二元化合物混合而成,例如GaAs和InAs合金混合制成的GaxIn1-xAs(其中,0≤x≤1,x表示GaAs的摩尔分数)系列的三元化合物半导体。这种方式生长的半导体结构是无序的,合金元素不形成规则的结晶。第二类是真正的三元化合物晶体。正如AIP可以认为是Si晶体中的Si原子被Al原子和P原子替换而成,同样地,三元化合物系的CuGaS2也可以认为是二元系的ZnS被置换而成,即ZnS+ZnS→CuGaS2。

从广义上来说,具有理想的Eg值的三元化合物半导体分为两类。第一类是通常所说的“赝二系”的化合物半导体,这种半导体是由两种二元化合物混合而成,例如GaAs和InAs合金混合制成的GaxIn1-xAs(其中,0≤x≤1,x表示GaAs的摩尔分数)系列的三元化合物半导体。这种方式生长的半导体结构是无序的,合金元素不形成规则的结晶。第二类是真正的三元化合物晶体。正如AIP可以认为是Si晶体中的Si原子被Al原子和P原子替换而成,同样地,三元化合物系的CuGaS2也可以认为是二元系的ZnS被置换而成,即ZnS+ZnS→CuGaS2。

(四)综合而言

单元素半导体是最早发现被应用的半导体,是他开启了人类使用半导体的先河,而双元素半导体与三元素化合物半导体是半导体行业的发展,其中双元素半导体与三元素半导体的差别有以下几点值得关注:三元化合物半导体与组成它的两种二元化合物AC和BC在物理性质上的主要差异有以下几个方面:

(1)体积改变。三元化合物的结构里,单胞的体积与两种二元化合物的单胞体积之和并不相等。一般来说,体积的改变既有立方点阵常数a的改变,也有c/a的比值的改变。

(2)化学电负性。由于在复合结构中,A-C和B-C的结合能相互影响和交换,因此三元化合物半导体的电负性完全不同于其任一二元化合物组元的电负性。

(3)结构的改变。两种材料的复合结构表现为结合键的相互影响,也就是说,它们可能表现为两种物质以最佳的方式结合,而不再遵循原有结合规律。

(4)p-d轨道杂化。以黄铜矿为例,在复合机构系统中,很明显的存在Zn(或者Ga)从Cu的活跃的3d轨道得到结合键和能隙的现象。

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产品维度解读半导体

半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用,如二极管就是采用半导体制作的器件。无论从科技或是经济发展的角度来看,半导体的重要性都是非常巨大的。大部分的电子产品,如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,硅是各种半导体材料应用中最具有影响力的一种。以产品维度角度看:半导体是电子信息产业的核心硬件基础,包括集成电路、光电器件、分立器件、传感器等四大类。

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图一、产品维度解读半导体行业图

而市场规模占比最大的集成电路(80%以上),可细分模拟芯片、处理器芯片、逻辑芯片、存储器芯片,因此人们平日里谈论的“集成电路”在绝大程度上代表了“半导体”概念。 

2021 年全球半导体行业销售额4,687。78亿美元,同比增长8。72%;中国半导体行业销售额2,581。00亿美元,同比增长15。22%。2008至2018年,中国半导体行业在国家产业政策、下游终端应用市场发展的驱动下迅速扩张,占全球半导体行业的比重比从18。16%上升至33。73%,在全球半导体行业中的重要性日益上升。

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图二、全球与中国半导体行业销售额    注:图片来源于沪硅产业招股书

(一)集成电路

集成电路(integrated circuit)是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体,使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。

根据 WSTS 分类标准,半导体芯片主要可分为集成电路、分立器件、传感器与光电子器件四种类别。其中,集成电路可细分为存储器、模拟芯片、逻辑芯片与微处理器。模拟芯片可进一步细分为功率器件、放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容电路等产品。射频前端芯片是模拟芯片的一种,是集合了多种类型模拟芯片的模块。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。集成电路已经在各行各业中发挥着非常重要的作用,是现代信息社会的基石。集成电路的含义,已经远远超过了其刚诞生时的定义范围,但其最核心的部分,仍然没有改变,那就是“集成”,其所衍生出来的各种学科,大都是围绕着“集成什么”、“如何集成”、“如何处理集成带来的利弊”这三个问题来开展的。硅集成电路是主流,就是把实现某种功能的电路所需的各种元件都放在一块硅片上,所形成的整体被称作集成电路。

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图三、中国集成电路规模与增速图    注:图片来源于沪硅产业招股书

(二)光电器件

光电器件是指根据光电效应制作的器件称为光电器件,也称光敏器件。光电器件的种类很多,但其工作原理都是建立在光电效应这一物理基础上的。光电器件的种类主要有: 光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电耦合器件。半导体材料的电导率是由载流子浓度决定的。半导体材料中的载流子包括材料内部的自由电子及其留下的空位—空穴两种。在正常情况下自由电子及空穴的形成与复合处于动态平衡,电子要克服原子的束缚成为自由电子必须吸能量,而光照可以向电子提供能量,增强它挣脱原子束缚的能力。使得原本的动态平衡被打破,自由电子及空穴的形成速率大于复合速率,从而在半导体内部形成自由电子—空穴对。因此,光照可以改变载流子的浓度,从而改变半导体的电导率。光电器件的组成有六个部分:第一,光敏电阻,制作光电传感器用到最多的当属光敏电阻,光敏电阻在无光照的情况下电阻值比较高,当它受到光照的情况下,阻值下降很多,导电性能明显加强。光敏电阻的主要参数有暗电阻,暗电流,与之对应的是亮电阻,亮电流。它们分别是在有光和无光条件下的所测的数值。亮电阻与暗电阻差值越大越好。在选择光敏电阻的时候还要注意它的光照特性,光谱特性;第二,光电二极管,光电二极管在无光照的条件下,其工作在截至状态,跟一般的二极管特性差不多,都具有单向导通性能。当受到光照时,PN区载流子浓度大大增加,载流子流动形成光电流;第三,光电三极管,光电三极管跟普通三极管的区别在于发射极的尺寸做得比较小,当光照的时候光电流差不多等于普通三极管的基极电流,光电三极管与光电二极管相比,灵敏更高;第四,光电池,实际当中用得比较多的光电池是硅光电池。它能够把光能直接转化成为电能。光电池的一个重要特点是短路时的电流与光照基本成线性比例。在运用中一般选择负载电阻很小。负载电阻越小,线形度愈好;第五,光电管,光电管一般分为真空光电管和充气光电管充气光电管一般充氩气或氩氖混合气体,它们都属于惰性气体且原子量比较小。充气光电管不足的地方在于灵敏度衰减快;第六,光电倍增管,光电倍增管主要由阴极室跟二次发射倍增系统构成。光电倍增管的光电特性在光通量小的时候呈线性关系。由于光电倍增管暗电流的存在,限定了其测量时的最小范围。

(三)分立器件

分立器件被广泛应用到消费电子、计算机及外设、网络通信,汽车电子、led显示屏等领域。其包括包括:半导体二极管:锗二极管、硅二极管、化合物二极管等;半导体三极管:锗三极管、硅三极管、化合物三极管等;半导体分立器件是电子电路的基础元器件,是各类电子产品线路中不可或缺的重要组件。分立器件可广泛应用于各类电子产品,其下游应用市场可略分如下:家用电器、电源及充电器、绿色照明、网络与通信、汽车电子、智能电表及仪器等。以下将从下游应用市场来分析半导体分立器件产品的需求情况。

IGBT、MOS等等,都是分立器件的关键器件,IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点;当前市场上销售的多为此类模块化产品,一般所说的IGBT也指IGBT模块;随着节能环保等理念的推进,此类产品在市场上将越来越多见;IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”;金属-氧化物半导体场效应晶体管,简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor, MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effecttransistor)。MOSFET依照其“通道”(工作载流子)的极性不同,可分为“N型”与“P型”的两种类型,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,其他简称上包括NMOS、PMOS等。

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图四、功率器件市场规模与增速图    注:图片来源于沪硅产业招股书

(四)传感器

传感器(英文名称:transducer/sensor)是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器主要包括单一材料传感器、复合材料 CMOS,传感器与MEMS传感器。随着多摄像头手机的普及,CMOS图像传感器增长迅速;手机新增的指纹识别功能也增加了对于传感器的需求;自动驾驶技术的快速发展,增加了对图像传感器、激光雷达、超声波传感器多种类型传感器的需求。

传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展,让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官,让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

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图五、传感器市场规模与增速图    注:图片来源于沪硅产业招股书

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产业链角度解读半导体

产业链维度讲,电子信息产业链自上而下包括上游以集成电路为代表的半导体产业、中游电子零部件及模组产业、下游整机组装及终端应用产业。

上游以集成电路为代表:由IC设计、IC制造、IC封测构成的集成电路主产业链。(主要瓶颈突破依靠点:投研人才)

中游电子零部件产业:正在发生产业分工的进一步深化,模组厂商通过集成众多小零件来生产整块模组,然后供应给下游整机组装厂。(主要瓶颈突破依靠点:细化分工,公司管理模式以及上游合作企业的优化甄别)

下游整机组装及终端:应用产业最终生产出面向市场的电子产品,主要应用领域包括智能手机、个人电脑、工业医疗、汽车电子。(主要瓶颈突破依靠点:市场占领以及中上游合作企业的选择优化甄别)

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从半导体整条产业链来看,上游IP供应和IC设计两个环节技术壁垒最高,半导体设备和晶圆制造环节技术壁垒次之,封测行业在产业链上相对最低。产业链即价值分配链,文章接下来会根据自身掌握材料以产业链上、中、下游为分界线,解读半导体行业。

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图六、半导体产业链分类图    注:来源于中国知网

(一)产业链上游:材料生产端、设备端

半导体材料可分为晶圆制造材料和封装材料两大类。其中,硅片、气体、光掩模和光刻胶四种材料市场规模占整体比例67%以上,硅片和硅基材料占半导体制造材料市场比重约为32%。日本占据全球一半以上的半导体硅材料市场份额,美国在个别领域处干垄断地位。美国陶氏化学占制造用抛光材料市场超90%的份额,美国科锐公司在碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料领域高度垄断。而国内半导体企业材料基本依赖进口,本土材料厂商较少,特别是12英寸的大尺寸集成电路级硅片依然严重依赖进口,主要句括上海新昇、苏州瑞红、北京科化等。上海新昇半导体在12时晶圆技术上已有突破,但月产能仅为7-10万片,市场占有量偏小。

半导体装备是一个高度垄断的市场,在晶圆制造设备中,光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备为核心设备,分别占晶圆制造环节的比例约30%、25%和25%。封装设备中,主要包括减薄机划片机和封装机等。国内半导体装备企业品然展现了高速增长的趋热,但与美、日等国家相比还存在一定差距。美国设备企业全球市场占比高达56%,而我国仅占全球的3%。全球半导体设备五强中,美国应用材料、泛林、科磊占据三强。目前,我国国内半导体设备产业呈现自给率低需求缺口大等特点,在低端制程已实现国产替代,但高端制程亟待突破,主要厂商包括北方华创、中微半导体海微电子中电科电子装备等。IP供应龙头ARM和FablessIC设计龙头高通每年研发费用占收入比重分别高30%和20%;半导体设备龙头ASML和Foundry龙头台积电每年研发费用率则分别为11%和8%。而封测龙头日月光每年的研发费用占收入比例仅为4%左右。并且与半导体产业链上其他环节相比较,封测环节在资本投入上有较高的壁垒,仅低于晶圆制造环节,同样需要大最资金投入修建厂房和购买设备,日月光近三年平均资本支出占到公司收入的22.1%。

(二)产业链中游:器件生产端、制造端

半导体产品主要包括两大类:集成电路IC(即我们常说的芯片)和半导体分立器件(D-O-S)。集成电路/芯片可分为数字电路和模拟电路。数字电路又可分为微处理器,逻辑电路,存储器。集成电路/芯片指通过一系列特定平面制造工艺,将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等元器件,按照一定电路互连关系,“集成”在一块半导体单晶片上,并封装在一个保护外壳内,能执行特定功能的复杂电子系统。代表器件:双极型集成电路代表类型有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等,单极型集成电路代表类型有CMOS、NMOS、PMOS等。

半导体分立器件可分为分立器件(二极管、三极管等)、光电子器件和敏感器件。分立器件是与集成电路/芯片相对而言的,指普通的电阻、电容、晶体管等电子元件,是最小的元件,内部没有集成的东西。代表器件:半导体晶体二极管、半导体三极管。光电子器件指利用半导体光-电子(或电-光子)转换效应制成的各种功能器件。代表器件:发光二极管(LED)和激光二极管(LD)、光电探测器或光电接收器、太阳电池。敏感器件是传感器的重要组成部分,能敏锐地感受某种物理、化学、生物的信息并将其转变为电信息的特种电子元件。代表器件:热敏电阻器、压敏电阻器、光敏电阻器、力敏电阻器、磁敏电阻器、气敏电子器、湿敏电阻器。

半导体产品中集成电路/芯片约占80%左右,半导体分立器件约占20%左右。由于半导体产品中大部分是集成电路/芯片,因此常常把半导体和集成电路/芯片混为一谈。集成电路/芯片的产业链上游主要是集成电路/芯片制造所需的原材料和生产设备。集成电路/芯片的生产工序主要涉及芯片设计、晶圆加工、封装和测试。集成电路/芯片主要应用于通信设备(包括手机)、PC/平板、消费电子、汽车电子等下游行业。

(三)产业链下游:产品应用端、销售端

Gartner在报告中指出,成品市场最大的两个领域是移动和计算,表明了过去一年的增长方向。前者主要以智能手机和存储市场推动增长、销售额同比增长9。6%而后者受PC和平板电脑销量下滑影响,销售额同比下降83%。调研机构Gartner表示,随着存储器、物联网(loT)与其他市场用特殊应用标准产品(App-Specific Standard Products。ASSP)库存状况获得改善,以及平均售价(ASP)扬升预估2022年全球半导体市场规模可望年增9.2%达8641亿美元:年增幅度将高干2021年的1.5%,一扫先前整体市场沉闷阴霾,纵观全球半导体市场呈现出诸多发展迹象。

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图七、半导体终端应用市场情况    注:图片来源于沪硅产业招股书

Gartner 预计2017-2022 年增速最快的半导体终端应用领域是工业电子和汽车电子,将成为未来几年全球半导体行业增长最重要的驱动力。其中,工业电子年复合增长率预计可达12%。随着工业从规模化走向自动化、智能化,工业与信息化的深度融合、智能制造转型升级将带动工业电子需求的增长。汽车电子2017-2022年预计复合增长率为11%。汽车电子的增长主要源于传统车辆电子功能的扩展、自动驾驶技术的不断成熟以及电动汽车行业的快速成长。车辆的ABS(防抱死)系统、车载雷达、车载图像传感系统、电子车身稳定程序、电控悬挂、电动手刹、压力传感器、加速度计、陀螺仪与流量传感器等,均需要使用半导体产品,汽车智慧化的趋势极大地拉动了汽车电子产品的增长。随着电动汽车的普及与车辆电压、电池容量标准的不断提高,电源管理器与分离式功率器件的需求量也将随之上升。

注:文章部分数据作者根据公司官方公布数据进行了一定程度上的基础处理,所有图片来源均注上来源!此外,文章所涉及的公司,作者介绍有先后,不代表作者或者任何机构的观点,只是一个陈述先后问题。另外,因作者资料有限,如有介绍不当之处,作者现在此表示歉意!

标签: 半导体

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