各种物体对电流的通过有着不同的阻碍能力,这种不同的物体允许电流通过的能力叫做物体的导电性能。
通常把电阻系数小的(电阻系数的范围约在0.01~1欧毫米/米)、导电性能好的物体叫做导体。例如:银、铜、铝是良导体;
含有杂质的水、人体、潮湿的树木、钢筋混凝土电杆、墙壁、大地等,也是导体,但不是良导体。
电阻系数很大的(电阻系数的范围约为10~10欧姆·毫米/米)、导电性能很差的物体叫做绝缘体。例如:陶瓷、云母、玻璃、橡胶、塑料、电木、纸、棉纱、树脂等物体,以及干燥的木材等都是绝缘体(也叫电介质)。
导电性能介于导体和绝缘体之间的物体叫做半导体。例如:硅、锗、硒、氧化铜等都是半导体。半导体在电子技术领域应用越来越广泛。
1、集成电路渗透到我国各个行业
集成电路是我国科技发展的重要组成部分,也是我国各行各业实现智能化、数字化的基础。目前我国集成电路渗透到我国各个行业,例如工业机器人、5G网络建设、汽车电子以及计算机等重要科技领域,可以说集成电路是我国科技发展的基石,集成电路技术发展到位,我国才能够在科技领域不受制于人。
2、我国集成电路行业依赖进口较为严重
目前集成电路已渗透到我国各个行业,对于我国科技、工业等领域发展显得尤为重要,但因集成电路行业具有较高的技术壁垒,我国目前尚未完全突破技术壁垒,因此在7nm等精度较高的集成电路领域,我国仍需要进口。换言之,在关键技术领域,我国集成电路依赖进口较为严重。
2017-2020年,我集成电路进出口数量均呈现上升趋势,且进出口逆差也在不断扩大。根据海关总署数据显示,2020年中国共进口集成电路5431亿个,较2019年增加985亿个出口集成电路2596亿个,较2019年增加411个,贸易逆差为2835亿个。2021年1-2月,我国累计进口集成电路963亿个出口集成电路468亿个,贸易逆差为495亿个。
3、多项规划指明集成电路发展方向
在《中国制造2025》中针对集成电路产业的市场规模、产能规模等提出了具体的量化目标,同时在全国两会发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中也提到在事关国家安全和发展全局的基础核心领域,制定实施战略性科学计划和科学工程。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
从国家急迫需要和长远需求出发,集中优势资源攻关关键元器件零部件和基础材料等领域关键核心技术。支持北京、上海、粤港澳大湾区形成国际科技创新中心,建设北京怀柔、上海张江、大湾区、安徽合肥综合性国家科学中心,支持有条件的地方建设区域科技创新中心。
3、政策规划下我国集成电路市场规模不断提升
在我国政策的促进下,我国集成电路行业主要代表企业不断突破技术壁垒,促进我国集成电路行业的发展,其中,中芯国际已能够生产n+1
nm的集成电路,虽不能完全替代7nm的芯片,但也能在短时间内解决我国机场电路短缺的问题。
根据中国半导体行业协会数据显示,2015-2020年我国集成电路市场规模呈逐年增加趋势。2020年我国集成电路市场规模为8848亿元,较2019年增加17.00%。
4、“十四五”期间各省份出台规划促进集成电路发展
目前长三角地区的安徽省、江苏省、上海市,泛珠三角地区的江西省、福建省、广东省、四川省均对“十四五”期间,集成电路的发展做出了明确的目标规划,形成了较为明确的集群化发展,除此之外,湖北省、重庆市以及山西省也针对“十四五”期间集成电路的发展做出了明确的目标规划。
综合来看,集成电路行业的发展对于我国工业智能化、5G网络、汽车电子、计算机等关键领域的发展起着至关重要的作用,但目前由于我国尚未完全突破集成电路的技术壁垒,到至我国对集成电路的进口依赖较为明显,未来在《中国智造2025》以及《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》的支持下,我国集成电路的发展会越来越好。
除国家层面外,我国经济较为发达的省份也在不停的摸索集成电路的发展,目前在长三角和泛珠三角地区已形成了集成电路发展的集群效应。
作者/朱公子
第三代半导体
我估摸着只要是炒股或者是关注二级市场的朋友们,这几天一定都没少听这词儿,如果不是大盘这几天实在是太惨了,估计炒作行情会比现在强势的多得多。
那到底这所谓的第三代半导体,到底是个什么玩意?值不值得炒?未来的逻辑在哪儿?
接下来,只要您能耐着性子好好看,我保证给它写的人人都能整明白,这可比你天天盯着大盘有意思的多了!
一、为什么称之为第三代半导体?
1、重点词
客官们就记住一个关键词—— 材料 ,这就是前后三代半导体之间最大的区别。
2、每一代材料的简述
①第一代半导体材料: 主要是指硅(Si)、锗元素(Ge)半导体材料。
兴起时间: 二十世纪五十年代。
代表材料: 硅(Si)、锗(Ge)元素半导体材料。
应用领域: 集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业。
历史 意义: 第一代半导体材料引发了以集成电路(IC)为核心的微电子领域迅速发展。
对于第一代半导体材料,简单理解就是:最早用的是锗,后来又从锗变成了硅,并且几乎完全取代。
原因在于: ①硅的产量相对较多,具备成本优势。②技术开发更加完善。
但是,到了40纳米以下,锗的应用又出现了,因为锗硅通道可以让电子流速更快。现在用的锗硅在特殊的通道材料里会用到,将来会涉及到碳的应用,下文会详细讲解。
②第二代半导体材料: 以砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)为代表,是4G时代的大部分通信设备的材料。
兴起时间: 20世纪九十年代以来,随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起,以砷化镓、锑化铟为代表的第二代半导体材料开始崭露头角。
代表材料: 如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb);三元化合物半导体,如GaAsAl、GaAsP;还有一些固溶体半导体,如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半导体(又称非晶态半导体),如非晶硅、玻璃态氧化物半导体;有机半导体,如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。
应用领域: 主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。
因信息高速公路和互联网的兴起,还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和 GPS 导航等领域。
性能升级: 以砷化镓为例,相比于第一代半导体,砷化镓具有高频、抗辐射、耐高温的特性。
总结: 第二代是使用复合物的。也就是复合半导体材料,我们生活中常用的是砷化镓、磷化铟这一类材料,可以用在功放领域,早期它们的速度比较快。
但是因为砷含剧毒!所以现在很多地方都禁止使用,砷化镓的应用还只是局限在高速的功放功率领域。而磷化铟则可以用来做发光器件,比如说LED里面都可以用到。
③第三代半导体材料: 以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、金刚石为四大代表,是5G时代的主要材料。
起源时间: M国早在1993年就已经研制出第一支氮化镓的材料和器件。而我国最早的研究队伍——中国科学院半导体研究所,在1995年也起步了该方面的研究。
重点: 市场上从半年前炒氮化镓的充电器时,市场的反应一直不够强烈,那是因为当时第三代半导体还没有被列入国家“十四五”这个层级的战略部署上,所以单凭氮化镓这一个概念,是不足以支撑整个市场逻辑的!
发展现状: 在5G通信、新能源 汽车 、光伏逆变器等应用需求的明确牵引下,目前,应用领域的头部企业已开始使用第三代半导体技术,也进一步提振了行业信心和坚定对第三代半导体技术路线的投资。
性能升级: 专业名词咱们就不赘述了,通俗的说,到了第三代半导体材料这儿,更好的化合物出现了,性能优势就在于耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低。
有一点我觉得需要单独提一下:碳化硅与氮化镓相比较,碳化硅的发展更早一些,技术成熟度也更高一些;两者有一个很大的区别是热导率:在高功率应用中,碳化硅占据统治地位;氮化镓具有更高的电子迁移率,因而能够比碳化硅具有更高的开关速度,所以在高频率应用领域,氮化镓具备优势。
第三代半导体的应用
咱们重点说一说碳化硅 。碳化硅在民用领域应用非常广泛:其中电动 汽车 、消费电子、新能源、轨道交通等领域的直流、交流输变电、温度检测控制等。
咱先举两个典型的例子:
1.2015年,丰田 汽车 运用碳化硅MOSFET的凯美瑞试验车,逆变器开关损耗降低30%。
2.2016年,三菱电机在逆变器上用到了碳化硅,开发出了全世界最小马达。
而其他军用领域上,碳化硅更是广泛用于喷气发动机、坦克发动机、舰艇发动机、风洞、航天器外壳的温度、压力测试等。
为什么我说要重点说说碳化硅呢?因为半导体产业的基石正是 芯片 ,而碳化硅,正因为它优越的物理性能,一定是将来 最被广泛使用在制作半导体芯片上的基础材料 !
①优越的物理性能:高禁带宽度(对应高击穿电场和高功率密度)、高电导率、高热导率。而且,碳化硅MOSFET将与硅基IGBT长期共存,他们更适合应用在高功率和高频高速领域。
②这里穿插了一个陌生词汇:“禁带宽度”,这到底是神马东西?
这玩意如果解释起来,又得引申出如“能带”、“导带”等一系列的概念,如果不是真的喜欢,我觉得大家也没必要非去研究这些,单说在第三代半导体行业板块中,能知道这一个词,您已经跑赢90%以上的小散了。
客观们就主要记住一个知识点吧: 对于第三代半导体材料,越高的禁带宽度越有优势 。
③主要形式:“衬底”。半导体芯片又分为:集成电路和分立器件。但不论是集成电路还是分立器件,其基本结构都可划分为“衬底 -外延-器件”结构,而碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。
④生产工艺流程:
原料合成——晶体生长——晶锭加工——晶体切割——晶片研磨——晶片抛光——晶片检测——晶片清洗
总结:晶片尺寸越大,对应晶体的生长与加工技术难度越大,而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。目前国际碳化硅晶片厂商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片,CREE、II-VI等国际龙头企业已开始投资建设8英寸碳化硅晶片生产线。
⑤应用方向:科普完知识、讲完生产制造,最终还是要看这玩意儿怎么用,俩个关键词:功率器件、射频器件。
功率器件: 最重要的下游应用就是—— 新能源 汽车 !
现有技术方案:每辆新能源 汽车 使用的功率器件价值约700美元到1000美元。随着新能源 汽车 的发展,对功率器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的增长点。
新能源 汽车 系统架构中,涉及到功率器件包括——电机驱动系统、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车载DC/DC)和非车载充电桩。碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器。
另外还应用领域也包括——光伏发电、轨道交通、智能电网、风力发电、工业电源及航空航天等领域。
射频器件: 最重要的下游应用就是—— 5G基站 !
微波射频器件,主要包括——射频开关、LNA、功率放大器、滤波器。5G基站则是射频器件的主要应用方向。
未来规模:5G时代的到来,将为射频器件带来新的增长动力!2025年全球射频器件市场将超过250亿美元。目前我国在5G建设全球领先,这也是对岸金毛现在狗急跳墙的原因。
我国未来计划建设360万台-492万台5G宏基站,而这个规模是4G宏基站的1.1-1.5倍。当前我国已经建设的5G宏基站约为40万台,未来仍有非常大的成长空间。
半导体行业的核心
我相信很多客官一定有这样的疑问: 芯片、半导体、集成电路 ,有什么区别?
1.半导体:
从材料方面说 ,教科书上是这么描述的:Semiconductor,是常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的一类材料;
按功能结构区分, 半导体行业可分为:集成电路(核心)、分立器件、光电器件及传感器四大类。
2.集成电路(IC, integrated circuit):
最经典的定义就是:将晶体管、二极管等等有源元件、电阻器、电容器等无源元件,按照一定的电路互联,“集成”在一块半导体单晶片上,从而完成特定的电路或者系统功能。
3.芯片:
半导体元件产品的统称 ,是指内含集成电路的硅片,是集成电路的载体,由晶圆分割而成。硅片是一块很小的硅,内含集成电路,它是计算机或者其他电子设备的一部分。
为什么说集成电路,是半导体行业的核心? 那是因为集成电路的销售比重,基本保持在半导体销售额的80%。
比如,2018年全球4700亿美元的半导体销售额中,集成电路共计3900亿美元,占比达84%。
第三代半导体的未来方向
中国半导体业进入IDM模式是大势所趋,其长久可持续性我非常认可。但是讲到IDM,又有一堆非常容易混淆的概念,篇幅实在是太长了,咱们就不再拆分来讲了,你只要知道IDM最牛逼就完事了!
IDM: 直译:Integrated Design and Manufacture, 垂直整合制造 。
1.IDM企业: IDM商业模式,就是国际整合元件制造商模式。其厂商的经营范围涵盖了IC设计、IC制造、封装测试等各个环节,甚至也会延伸到下游电子终端。典型厂商:Intel、三星、TI(德州仪器)、东芝、ST(意法半导体)等。
2.IDM模式优势:
(1)IDM模式的企业,内部有资源整合优势,从IC设计到IC制造所需的时间较短。
(2)IDM企业利润比较高。根据“微笑曲线”原理,最前端的产品设计、开发与最末端的品牌、营销具有最高的利润率,中间的制造、封装测试环节利润率较低。
(3)IDM企业具有技术优势。大多数的IDM企业都有自己的IP(知识产权),技术开发能力比较强,具有技术领先优势。
3.IDM重要性
IDM的重要性是不需要用逻辑去判断的,全球集成电路市场的60%由IDM企业所掌握。比如三星电子、恩智浦、英飞凌、NXP等。
4.中国为什么要发展IDM模式?
IDM模式的优势: 产业链内部直接整合、具备规模效应、有效缩短新产品上市时间、并将利润点留在企业内部。
市场的自然选择: 此外,中国已成为全球最大的集成电路消费市场,并具有丰富的劳动力资源,对于发展自有品牌的IDM具有市场优势和成本优势。
现在,无论是被M国的封锁倒逼出来,还是我们自主的选择,我们都必须开拓出一条中国IDM发展之路!
现状: 目前国内现有的所谓IDM,其制造工艺水平和设计能力相当低,比较集中在功率半导体,产品应用面较窄,规模做不大。我知道,这些事实说出来挺让人沮丧的,但这就是事实。
但正因为我们目前处在相对落后的阶段,才更加需要埋头苦干、咬牙追赶,然后一举拿下!
本来写这篇文章的时候不想说股的,但还是提几只吧,也算是给咱们国家的半导体事业做一点点微小的贡献。
射频类相关优质标的:卓胜微、中天 科技 、和而泰、麦捷 科技 ;
IDM相关优质标的:中环股份、上海贝岭、长电 科技 。
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