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半导体全面分析(一):两大特性,三大政策,四大分类!

半导体全面分析系列分三篇,本篇是市场分析,后两篇分别是技术、产业分析。

一、两大特性

1. 能带

导体,咱能理解,绝缘体,咱也能理解,不好理解的,怕是半导体了

原子组成物质时,会有很多电子混到一起,但2个相同电子没法待在一个轨道上,于是,很多轨道就分裂成了好几个轨道,这么多轨道挤在一起,不小心挨得近了,就变成了宽宽的大轨道。在量子力学里,这种细轨道叫能级,挤在一起变成的宽轨道就叫能带

有些宽轨道挤满了电子,电子不能移动,宏观上表现为不能导电

有些宽轨道空间很空旷,电子自由移动,宏观上表现为导电

有些满轨道和空轨道挨的太近,电子可以毫不费力从满轨道跑到空轨道上,于是就能自由移动,这就是导体

如果两条宽轨道之间有空隙,电子单靠自己跨不过去,表现为不导电

如果空隙的宽度在5ev之内,给电子加个额外能量,也能跨到空轨道上,跨过去就能自由移动,表现为导电。这种空隙宽度不超过5ev的固体,有时导电、有时不导电,所以叫半导体

2. 半导体

半导体 Semiconductor 是指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料

通常金属的电导率大于一万(10 4 )Ω -1 cm -1 ,如铝、铜、银、铂等,而绝缘体的电导率则小于百亿分之一(10 -10 )Ω -1 cm -1 ,如橡胶、陶瓷、塑料等,电导率介于10 4-10 -10 Ω -1 cm -1 之间的一种固体材料,则被称为半导体

下面有点烧脑细胞

3. 掺杂特性

半导体的电导率并不是一成不变的,它会随着掺入杂质元素、受热、受光照、受到外力等种种外界条件,而在绝缘体和金属之间电导率区间内发生变化,这些特性使得半导体衍生出了较为丰富的应用场景

一种是掺入Ⅴ族元素(常用的有磷P、砷As),V族元素相比Ⅳ族的外层电子多出一个,多出的电子能够作为导电的来源,这种掺杂手段被称为N(Negative)型掺杂

另一种是掺入Ⅲ族元素(常用的有硼B、氟化硼BF2),Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外层电子少一个,这种缺少电子的空位被称为空穴,空穴同样能够导电,对应的掺杂手段被称为P(Positive)型掺杂

PN 结

把PN这两种半导体面对面放一起会咋样?不用想也知道,N型那些额外的电子必然是跑到P型那些空位上去了,一直到电场平衡为止,这就是大名鼎鼎的“PN结”(动图来自《科学网》张云的博文)

PN结具有单向导电性,电流只能从这一头流向另一头,无法从另一头流向这一头

如果将PN结加正向电压,即P区接正极,N区接负极,多数载流子将在外电场力的驱动下源源不断地通过PN结,形成较大的扩散电流,称为正向电流

如果加个反向的电压,多数载流子扩散运动减弱,没有正向电流通过PN结,只有少数载流子的漂移运动形成了反向电流。由于少数载流子为数很少,故反向电流是很微弱的,电阻很大

一个PN 结就可以形成半导体器件中最简单的二极管(Diode),它同时也是构筑三极管(BJT )、金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)等其他众多半导体器件的基础结构

下面举个例子加深理解

为什么张无忌给女的输内力就要脱衣服,男的不用?

针对张无忌传输内功:假设男性为P型掺杂,女性为N型掺杂,内功为电子运动形成的电流,则有:男–男传输内功时,载流子在同掺杂半导体内运动,其情形相当于在电阻中运动,不需要克服势垒

当男–女传输内功时,电子在PN结中运动,需要克服势垒(衣服)才能流动,因此需要降低势垒

4. 光电特性

光生电:在PN结处没有可以自由移动的电子和空穴,但是晶格原子外层有许多被束缚的共价电子。光照能使共价电子获得能量,脱离晶格原子的束缚,变成可以自由移动的电子和空穴。而电子和空穴都是构成电流的成分,因此光照可以使PN结产生电流。PN结光生电的特性使它能够制备成雪崩二极管、 PIN二极管,这些器件 广泛应用于光探测器、太阳能电池等 领域

电生光:反之,若在PN结两端加以正向电压,半导体中的电子和空穴就会在结处相遇之后消失(复合),并产生一束光子,前提是制造PN结的材料为直接带隙半导体。PN 结电生光的特性使它能制作成发光二极管(LED)、激光二极管(LD )等,广泛应用于半导体照明、光通讯中的光源、3DSensing 等领域

直接带隙半导体,是指这种材料中的电子和空穴复合时遵循动量守恒,如化合物半导体材料:GaAs、GaP、GaN等。而对于应用十分广泛的硅材料来说,它属于间接带隙半导体,用硅材料制造的PN结只能制造具有整流、开关特性的二极管,并不能发出光子

二、四大分类

5. 四大分类

半导体在应用上可以分为四类产品,分别是集成电路、光电子器件、分立器件和传感器,详细分析请持续关注本公众号(史晨星 shichenxing1)

分立器件:单个的二极管、三极管、功率半导体器件(如LDMOS、IGBT等)都属于分立器件。它们相比集成电路的缺点就是体积大,但是在一些场合(如超大功率、半导体照明),分立器件比集成电路更具优势

光电子器件(photoelectron devices)是利用电-光子转换效应制成的各种功能器件。光电子器件应用范围广泛,包括光通讯、光显示、手机相机、夜视眼镜、微光摄像机、光电瞄具、红外探测、红外制导、医学探测和透视等多个领域

传感器:传感器是将环境中的物理量转化为电学量的一种检测装置

集成电路(integrated  circuit)(缩写IC)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,也叫做芯片

芯片种类繁多,根据处理信号的不同,可以分为模拟集成电路、数字集成电路。

三、万亿规模

6. 全球

据WSTS最新数据,2018年全球半导体市场规模达到4780亿美金,预测2019年全球半导体市场规模将达到4901亿美金

根据 WSTS 数据,分立器件销售额为 241.02 亿美金、光电子销售额为 380.32 亿美金、传感器销售额为 133.56 亿美金、集成电路(Integrated Circuit,简称 IC)销售额为 3932.88 亿美金,分别占到全球半导体销售总额的 5.14%、8.11%、2.85%、83.9%

根据 IC Insights、Gartner数据,2018 年全球集成电路设计产值为 1139 亿美金,集成电路封测产值为 560 亿美金,IC 制造环节的产值约为 2233.8 亿美金,设计、制造、封测环节的产值占比分别为 29%、57%、14%

7. 中国

从市场结构来看,中国和美洲(主要是美国)已经成为全球半导体前两大消费市场,2018 年,其市场规模占比分别为 32%、22%,其次是欧洲和日本

8. 应用

根据 IC Insights 数据,2018年集成电路的主要下游应用可分为电脑(36.6%)、通信(36.4%)、消费电子(11.0%)、汽车(8.0%)、工控(8.0%)、军用(6.5%),预计2023 年通信市场将超越电脑成为集成电路最大的下游市场,占比有望达到 35.7%,汽车市场占比也有望较 18 年提升 1.8pct

物联网及汽车电子为全球半导体市场发展新动力

四、三大政策

9. 中国三大政策

全球各国对半导体产业均有各种支持

中国三大政策

2014年6月24日,国家集成电路推进纲要发布,国家集成电路产业投资基金正式设立

中国制造 2025 彰显国产化决心

《极大规模集成电路制造技术及成套工艺》项目,因次序排在国家重大专项所列 16 个重大专项第二位,在行业内被称为“02 专项”。

五、重要性

10. 信息产业基石

集成电路被称为现代工业的“粮食”,在信息时代,电脑、手机、家电、汽车、高铁、电网、医疗仪器、机器人、工业控制等各种电子产品和系统都离不开集成电路。美国更是把集成电路产业称为未来 20 年从根本上改造制造业的四大技术领域之首

11. GDP 正相关

全球半导体行业的增速波动与全球GDP波动的相关性呈现高度一致(2010 至今,相关系数为 0.57)

12. 贸易逆差首位

集成电路产品已成为我国最大宗进口商品。根据我国海关总署数据,自 2015 年以来我国集成电路进口金额长期超出原油,2018 年我国集成电路进口总额超过 3100 亿美金

13. 卡脖子

欧美国家为保护半导体技术,制订了一系列技术出口限制政策,而对中资的海外并购也制订各项审查措施

根据芯谋研究估算数据,中国企业仅在分立器件、移动处理和基带、逻辑芯片三个领域分别实现了约 17%、12%、6%的自给,其他领域仍然重度依赖进口

集成电路领域严重的进口依赖,影响到我国的信息安全、金融安全、国防安全、能源安全,中兴、华为事件更是为我们敲响了警钟

来源:第一电动网

作者:史晨星

本文地址:https://www.d1ev.com/kol/99455

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