從三個緯度看懂半導體
從三個緯度看懂半導體
原創(chuàng) 姚東來 半導體行業(yè)觀察 2022-03-07 08:50
半導體，什么是半導體呢？常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料？這個解釋大家能明白嗎？能讓不同行業(yè)的人一看就都能產生興趣嗎？接下來文章會對半導體行業(yè)做更多維度的解釋，讓他不再單獨是物理化學家眼中常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料，也不單純是企業(yè)家實體生產廠家的電子信息產業(yè)的核心硬件基礎，包括集成電路、光電器件、分立器件、傳感器等四大類；同時也不是也不單單是產業(yè)鏈學者眼中的按產業(yè)鏈維度講，半導體產業(yè)鏈自上而下包括上游以集成電路為代表的半導體產業(yè)、中游電子零部件及模組產業(yè)、下游整機組裝及終端應用產業(yè)等等。文章試圖通過作者根據材料了解的半導體，從盡可能更多的角度來剖析半導體，來讓更多的讀者能更好的從自己熟悉的視角找到與半導體接觸的興趣點。
一、物理化學材料端對于半導體的理解
半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。半導體一般分為兩類，元素半導體和化合物半導體，即在元素周期表的位置是4族的元素半導體和2族與6族的化合物所得。半導體還可以根據組成元素數量不同分為雙元素化合物半導體、三元素化合物半導體。
（一）單元素半導體
以單一元素組成的半導體，屬于這一材料的有硼、鍺、硅、灰錫、銻、硒、碲等，其中以鍺、硅、錫研究較早，制備工藝相對成熟。元素半導體材料在元素周期表中的位置說明了半導體材料的性質與物質結構，特別是原子結構的關系，它們都居于周期表的A族。具有半導體特性的元素，如硅、鍺、硼、硒、碲、碳、碘等組成的材料。
其導電能力介乎導體和絕緣體之間。一般電阻率在10-7～10-3之間。主要采用直拉法、區(qū)熔法或外延法制備。工業(yè)上應用最多的是硅、鍺、硒。用于制作各種晶體管、整流器、集成電路、太陽能電池等方面。其他硼、碳（金剛石、石墨）、碲、碘及紅磷、灰砷、灰銻、灰鉛、硫也是半導體，但都尚未得到應用。
（二）二、六或者三、五族化合物雙元素半導體
二、六或者三、五族化合物雙元素半導體，即是指由兩種確定的原子配比形成的化合物，并具有確定的禁帶寬度和能帶結構等半導體性質。包括晶態(tài)無機化合物（如III-V族、II-VI族化合物半導體）及其固溶體、非晶態(tài)無機化合物（如玻璃半導體）、有機化合物（如有機半導體）和氧化物半導體等。通常所說的化合物半導體多指晶態(tài)無機化合物半導體。
主要的二元化合物半導體有：砷化鎵、磷化銦、硫化鎘、碲化鉍、氧化亞銅等。多采用布里奇曼法（由熔體生長單晶的一種方法）、液封直拉法、垂直梯度凝固法制備化合物半導體單晶，用外延法、化學氣相沉積法等制備它們的薄膜和超薄層微結構化合物材料。用于制備光電子器件、超高速微電子器件和微波器件等方面。
（三）三元素化合物半導體
三元化合物半導體材料是指由三種已確定的原子配比形成的化合物，并具有確定的禁帶寬度和能帶結構等半導體性質。從廣義上來說，具有理想的Eg值的三元化合物半導體分為兩類。第一類是通常所說的“贗二系”的化合物半導體，這種半導體是由兩種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的摩爾分數）系列的三元化合物半導體。這種方式生長的半導體結構是無序的，合金元素不形成規(guī)則的結晶。第二類是真正的三元化合物晶體。正如AIP可以認為是Si晶體中的Si原子被Al原子和P原子替換而成，同樣地，三元化合物系的CuGaS2也可以認為是二元系的ZnS被置換而成，即ZnS+ZnS→CuGaS2。
從廣義上來說，具有理想的Eg值的三元化合物半導體分為兩類。第一類是通常所說的“贗二系”的化合物半導體，這種半導體是由兩種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的摩爾分數）系列的三元化合物半導體。這種方式生長的半導體結構是無序的，合金元素不形成規(guī)則的結晶。第二類是真正的三元化合物晶體。正如AIP可以認為是Si晶體中的Si原子被Al原子和P原子替換而成，同樣地，三元化合物系的CuGaS2也可以認為是二元系的ZnS被置換而成，即ZnS+ZnS→CuGaS2。
（四）綜合而言
單元素半導體是最早發(fā)現被應用的半導體，是他開啟了人類使用半導體的先河，而雙元素半導體與三元素化合物半導體是半導體行業(yè)的發(fā)展，其中雙元素半導體與三元素半導體的差別有以下幾點值得關注：三元化合物半導體與組成它的兩種二元化合物AC和BC在物理性質上的主要差異有以下幾個方面：
（1）體積改變。三元化合物的結構里，單胞的體積與兩種二元化合物的單胞體積之和并不相等。一般來說，體積的改變既有立方點陣常數a的改變，也有c/a的比值的改變。
（2）化學電負性。由于在復合結構中，A-C和B-C的結合能相互影響和交換，因此三元化合物半導體的電負性完全不同于其任一二元化合物組元的電負性。
（3）結構的改變。兩種材料的復合結構表現為結合鍵的相互影響，也就是說，它們可能表現為兩種物質以最佳的方式結合，而不再遵循原有結合規(guī)律。
（4）p-d軌道雜化。以黃銅礦為例，在復合機構系統(tǒng)中，很明顯的存在Zn（或者Ga）從Cu的活躍的3d軌道得到結合鍵和能隙的現象。
二、產品維度解讀半導體
半導體在集成電路、消費電子、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、照明、大功率電源轉換等領域都有應用，如二極管就是采用半導體制作的器件。無論從科技或是經濟發(fā)展的角度來看，半導體的重要性都是非常巨大的。大部分的電子產品，如計算機、移動電話或是數字錄音機當中的核心單元都和半導體有著極為密切的關聯。常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，硅是各種半導體材料應用中最具有影響力的一種。以產品維度角度看：半導體是電子信息產業(yè)的核心硬件基礎，包括集成電路、光電器件、分立器件、傳感器等四大類。
圖一、產品維度解讀半導體行業(yè)圖
而市場規(guī)模占比最大的集成電路（80%以上），可細分模擬芯片、處理器芯片、邏輯芯片、存儲器芯片，因此人們平日里談論的“集成電路”在絕大程度上代表了“半導體”概念。
2021 年全球半導體行業(yè)銷售額4，687。78億美元，同比增長8。72%；中國半導體行業(yè)銷售額2，581。00億美元，同比增長15。22%。2008至2018年，中國半導體行業(yè)在國家產業(yè)政策、下游終端應用市場發(fā)展的驅動下迅速擴張，占全球半導體行業(yè)的比重比從18。16%上升至33。73%，在全球半導體行業(yè)中的重要性日益上升。
圖二、全球與中國半導體行業(yè)銷售額
注：圖片來源于滬硅產業(yè)招股書
（一）集成電路
集成電路（integrated circuit）是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，然后封裝在一個管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構；其中所有元件在結構上已組成一個整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步。
根據 WSTS 分類標準，半導體芯片主要可分為集成電路、分立器件、傳感器與光電子器件四種類別。其中，集成電路可細分為存儲器、模擬芯片、邏輯芯片與微處理器。模擬芯片可進一步細分為功率器件、放大器、濾波器、反饋電路、基準源電路、開關電容電路等產品。射頻前端芯片是模擬芯片的一種，是集合了多種類型模擬芯片的模塊。當今半導體工業(yè)大多數應用的是基于硅的集成電路。集成電路已經在各行各業(yè)中發(fā)揮著非常重要的作用，是現代信息社會的基石。集成電路的含義，已經遠遠超過了其剛誕生時的定義范圍，但其最核心的部分，仍然沒有改變，那就是“集成”，其所衍生出來的各種學科，大都是圍繞著“集成什么”、“如何集成”、“如何處理集成帶來的利弊”這三個問題來開展的。硅集成電路是主流，就是把實現某種功能的電路所需的各種元件都放在一塊硅片上，所形成的整體被稱作集成電路。
圖三、中國集成電路規(guī)模與增速圖
注：圖片來源于滬硅產業(yè)招股書
（二）光電器件
光電器件是指根據光電效應制作的器件稱為光電器件，也稱光敏器件。光電器件的種類很多，但其工作原理都是建立在光電效應這一物理基礎上的。光電器件的種類主要有: 光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池、光電耦合器件。半導體材料的電導率是由載流子濃度決定的。半導體材料中的載流子包括材料內部的自由電子及其留下的空位—空穴兩種。在正常情況下自由電子及空穴的形成與復合處于動態(tài)平衡，電子要克服原子的束縛成為自由電子必須吸能量，而光照可以向電子提供能量，增強它掙脫原子束縛的能力。使得原本的動態(tài)平衡被打破，自由電子及空穴的形成速率大于復合速率，從而在半導體內部形成自由電子—空穴對。因此，光照可以改變載流子的濃度，從而改變半導體的電導率。光電器件的組成有六個部分：第一，光敏電阻，制作光電傳感器用到最多的當屬光敏電阻，光敏電阻在無光照的情況下電阻值比較高，當它受到光照的情況下，阻值下降很多，導電性能明顯加強。光敏電阻的主要參數有暗電阻，暗電流，與之對應的是亮電阻，亮電流。它們分別是在有光和無光條件下的所測的數值。亮電阻與暗電阻差值越大越好。在選擇光敏電阻的時候還要注意它的光照特性，光譜特性；第二，光電二極管，光電二極管在無光照的條件下，其工作在截至狀態(tài)，跟一般的二極管特性差不多，都具有單向導通性能。當受到光照時，PN區(qū)載流子濃度大大增加，載流子流動形成光電流；第三，光電三極管，光電三極管跟普通三極管的區(qū)別在于發(fā)射極的尺寸做得比較小，當光照的時候光電流差不多等于普通三極管的基極電流，光電三極管與光電二極管相比，靈敏更高；第四，光電池，實際當中用得比較多的光電池是硅光電池。它能夠把光能直接轉化成為電能。光電池的一個重要特點是短路時的電流與光照基本成線性比例。在運用中一般選擇負載電阻很小。負載電阻越小，線形度愈好；第五，光電管，光電管一般分為真空光電管和充氣光電管充氣光電管一般充氬氣或氬氖混合氣體，它們都屬于惰性氣體且原子量比較小。充氣光電管不足的地方在于靈敏度衰減快；第六，光電倍增管，光電倍增管主要由陰極室跟二次發(fā)射倍增系統(tǒng)構成。光電倍增管的光電特性在光通量小的時候呈線性關系。由于光電倍增管暗電流的存在，限定了其測量時的最小范圍。
（三）分立器件
分立器件被廣泛應用到消費電子、計算機及外設、網絡通信，汽車電子、led顯示屏等領域。其包括包括：半導體二極管：鍺二極管、硅二極管、化合物二極管等；半導體三極管：鍺三極管、硅三極管、化合物三極管等；半導體分立器件是電子電路的基礎元器件，是各類電子產品線路中不可或缺的重要組件。分立器件可廣泛應用于各類電子產品，其下游應用市場可略分如下：家用電器、電源及充電器、綠色照明、網絡與通信、汽車電子、智能電表及儀器等。以下將從下游應用市場來分析半導體分立器件產品的需求情況。
IGBT、MOS等等，都是分立器件的關鍵器件，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進，此類產品在市場上將越來越多見；IGBT是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱電力電子裝置的“CPU”；金屬-氧化物半導體場效應晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor， MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效晶體管（field-effecttransistor）。MOSFET依照其“通道”（工作載流子）的極性不同，可分為“N型”與“P型”的兩種類型，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱上包括NMOS、PMOS等。
圖四、功率器件市場規(guī)模與增速圖
注：圖片來源于滬硅產業(yè)招股書
（四）傳感器
傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器主要包括單一材料傳感器、復合材料 CMOS，傳感器與MEMS傳感器。隨著多攝像頭手機的普及，CMOS圖像傳感器增長迅速；手機新增的指紋識別功能也增加了對于傳感器的需求；自動駕駛技術的快速發(fā)展，增加了對圖像傳感器、激光雷達、超聲波傳感器多種類型傳感器的需求。
傳感器的特點包括：微型化、數字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網絡化。它是實現自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。
圖五、傳感器市場規(guī)模與增速圖
注：圖片來源于滬硅產業(yè)招股書
三、產業(yè)鏈角度解讀半導體
產業(yè)鏈維度講，電子信息產業(yè)鏈自上而下包括上游以集成電路為代表的半導體產業(yè)、中游電子零部件及模組產業(yè)、下游整機組裝及終端應用產業(yè)。
上游以集成電路為代表：由IC設計、IC制造、IC封測構成的集成電路主產業(yè)鏈。（主要瓶頸突破依靠點：投研人才）
中游電子零部件產業(yè)：正在發(fā)生產業(yè)分工的進一步深化，模組廠商通過集成眾多小零件來生產整塊模組，然后供應給下游整機組裝廠。（主要瓶頸突破依靠點：細化分工，公司管理模式以及上游合作企業(yè)的優(yōu)化甄別）
下游整機組裝及終端：應用產業(yè)最終生產出面向市場的電子產品，主要應用領域包括智能手機、個人電腦、工業(yè)醫(yī)療、汽車電子。（主要瓶頸突破依靠點：市場占領以及中上游合作企業(yè)的選擇優(yōu)化甄別）
從半導體整條產業(yè)鏈來看，上游IP供應和IC設計兩個環(huán)節(jié)技術壁壘最高，半導體設備和晶圓制造環(huán)節(jié)技術壁壘次之，封測行業(yè)在產業(yè)鏈上相對最低。產業(yè)鏈即價值分配鏈，文章接下來會根據自身掌握材料以產業(yè)鏈上、中、下游為分界線，解讀半導體行業(yè)。
圖六、半導體產業(yè)鏈分類圖
注：來源于中國知網
（一）產業(yè)鏈上游：材料生產端、設備端
半導體材料可分為晶圓制造材料和封裝材料兩大類。其中，硅片、氣體、光掩模和光刻膠四種材料市場規(guī)模占整體比例67%以上，硅片和硅基材料占半導體制造材料市場比重約為32%。日本占據全球一半以上的半導體硅材料市場份額，美國在個別領域處干壟斷地位。美國陶氏化學占制造用拋光材料市場超90%的份額，美國科銳公司在碳化硅、氮化鎵等第三代半導體材料領域高度壟斷。而國內半導體企業(yè)材料基本依賴進口，本土材料廠商較少，特別是12英寸的大尺寸集成電路級硅片依然嚴重依賴進口，主要句括上海新昇、蘇州瑞紅、北京科化等。上海新昇半導體在12時晶圓技術上已有突破，但月產能僅為7-10萬片，市場占有量偏小。
半導體裝備是一個高度壟斷的市場，在晶圓制造設備中，光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設備為核心設備，分別占晶圓制造環(huán)節(jié)的比例約30%、25%和25%。封裝設備中，主要包括減薄機劃片機和封裝機等。國內半導體裝備企業(yè)品然展現了高速增長的趨熱，但與美、日等國家相比還存在一定差距。美國設備企業(yè)全球市場占比高達56%，而我國僅占全球的3%。全球半導體設備五強中，美國應用材料、泛林、科磊占據三強。目前，我國國內半導體設備產業(yè)呈現自給率低需求缺口大等特點，在低端制程已實現國產替代，但高端制程亟待突破，主要廠商包括北方華創(chuàng)、中微半導體海微電子中電科電子裝備等。IP供應龍頭ARM和FablessIC設計龍頭高通每年研發(fā)費用占收入比重分別高30%和20%;半導體設備龍頭ASML和Foundry龍頭臺積電每年研發(fā)費用率則分別為11%和8%。而封測龍頭日月光每年的研發(fā)費用占收入比例僅為4%左右。并且與半導體產業(yè)鏈上其他環(huán)節(jié)相比較，封測環(huán)節(jié)在資本投入上有較高的壁壘，僅低于晶圓制造環(huán)節(jié)，同樣需要大最資金投入修建廠房和購買設備，日月光近三年平均資本支出占到公司收入的22.1%。
（二）產業(yè)鏈中游：器件生產端、制造端
半導體產品主要包括兩大類：集成電路IC（即我們常說的芯片）和半導體分立器件（D-O-S）。集成電路/芯片可分為數字電路和模擬電路。數字電路又可分為微處理器，邏輯電路，存儲器。集成電路/芯片指通過一系列特定平面制造工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等元器件，按照一定電路互連關系，“集成”在一塊半導體單晶片上，并封裝在一個保護外殼內，能執(zhí)行特定功能的復雜電子系統(tǒng)。代表器件：雙極型集成電路代表類型有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等，單極型集成電路代表類型有CMOS、NMOS、PMOS等。
半導體分立器件可分為分立器件（二極管、三極管等）、光電子器件和敏感器件。分立器件是與集成電路/芯片相對而言的，指普通的電阻、電容、晶體管等電子元件，是最小的元件，內部沒有集成的東西。代表器件：半導體晶體二極管、半導體三極管。光電子器件指利用半導體光-電子（或電-光子）轉換效應制成的各種功能器件。代表器件：發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD）、光電探測器或光電接收器、太陽電池。敏感器件是傳感器的重要組成部分，能敏銳地感受某種物理、化學、生物的信息并將其轉變?yōu)殡娦畔⒌奶胤N電子元件。代表器件：熱敏電阻器、壓敏電阻器、光敏電阻器、力敏電阻器、磁敏電阻器、氣敏電子器、濕敏電阻器。
半導體產品中集成電路/芯片約占80%左右，半導體分立器件約占20%左右。由于半導體產品中大部分是集成電路/芯片，因此常常把半導體和集成電路/芯片混為一談。集成電路/芯片的產業(yè)鏈上游主要是集成電路/芯片制造所需的原材料和生產設備。集成電路/芯片的生產工序主要涉及芯片設計、晶圓加工、封裝和測試。集成電路/芯片主要應用于通信設備（包括手機）、PC/平板、消費電子、汽車電子等下游行業(yè)。
（三）產業(yè)鏈下游：產品應用端、銷售端
Gartner在報告中指出，成品市場最大的兩個領域是移動和計算，表明了過去一年的增長方向。前者主要以智能手機和存儲市場推動增長、銷售額同比增長9。6%而后者受PC和平板電腦銷量下滑影響，銷售額同比下降83%。調研機構Gartner表示，隨著存儲器、物聯網(loT)與其他市場用特殊應用標準產品(App-Specific Standard Products。ASSP)庫存狀況獲得改善，以及平均售價(ASP)揚升預估2022年全球半導體市場規(guī)?？赏暝?.2%達8641億美元:年增幅度將高干2021年的1.5%，一掃先前整體市場沉悶陰霾，縱觀全球半導體市場呈現出諸多發(fā)展跡象。
圖七、半導體終端應用市場情況
注：圖片來源于滬硅產業(yè)招股書
Gartner 預計2017-2022 年增速最快的半導體終端應用領域是工業(yè)電子和汽車電子，將成為未來幾年全球半導體行業(yè)增長最重要的驅動力。其中，工業(yè)電子年復合增長率預計可達12%。隨著工業(yè)從規(guī)?；呦蜃詣踊⒅悄芑?，工業(yè)與信息化的深度融合、智能制造轉型升級將帶動工業(yè)電子需求的增長。汽車電子2017-2022年預計復合增長率為11%。汽車電子的增長主要源于傳統(tǒng)車輛電子功能的擴展、自動駕駛技術的不斷成熟以及電動汽車行業(yè)的快速成長。車輛的ABS（防抱死）系統(tǒng)、車載雷達、車載圖像傳感系統(tǒng)、電子車身穩(wěn)定程序、電控懸掛、電動手剎、壓力傳感器、加速度計、陀螺儀與流量傳感器等，均需要使用半導體產品，汽車智慧化的趨勢極大地拉動了汽車電子產品的增長。隨著電動汽車的普及與車輛電壓、電池容量標準的不斷提高，電源管理器與分離式功率器件的需求量也將隨之上升。
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