什么是半导体呢？
顾名思义：导电性能介于导体与绝缘体(insulator)之间的材料，叫做半导体（semiconductor）．
物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与金属和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。
半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，
1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。不久，
1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。
在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。
1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。
半导体的这四个效应，(jianxia霍尔效应的余绩——四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。
半导体于室温时电导率约在10ˉ10～10000/Ω·cm之间，纯净的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体材料有很多种，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的有机物半导体等。
本征半导体(intrinsic semiconductor) 没有掺杂且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。在绝对零度温度下，半导体的价带(valence band)是满带(见能带理论)，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbidden band/band gap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带(conduction band)，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴(hole)，导带中的电子和价带中的空穴合称为电子 - 空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子(free carrier)，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，使电子-空穴对消失，称为复合(recombination)。复合时产生的能量以电磁辐射（发射光子photon）或晶格热振动（发射声子phonon）的形式释放。在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体具有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发，从而产生更多的电子 - 空穴对，这时载流子浓度增加，电导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常温下本征半导体的电导率较小，载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多。
杂质半导体(extrinsic semiconductor) 半导体中的杂质对电导率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，一般可分为n型半导体和p型半导体。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主(donor)杂质，相应能级称为施主能级,位于禁带上方靠近导带底附近。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价键，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢浅能级-施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多，很易激发到导带成为电子载流子，因此对于掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是被激发到导带中的电子，属电子导电型，称为n型半导体。由于半导体中总是存在本征激发的电子空穴对，所以在n型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子。相应地，能提供空穴载流子的杂质称为受主(acceptor)杂质，相应能级称为受主能级，位于禁带下方靠近价带顶附近。例如在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是受主能级。由于受主能级靠近价带顶，价带中的电子很容易激发到受主能级上填补这个空位，使受主杂质原子成为负电中心。同时价带中由于电离出一个电子而留下一个空位，形成自由的空穴载流子，这一过程所需电离能比本征半导体情形下产生电子空穴对要小得多。因此这时空穴是多数载流子，杂质半导体主要靠空穴导电，即空穴导电型，称为p型半导体。在p型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。
编辑词条
开放分类：
技术、电子、半导体物理
参考资料：
1.Introduction to Solid State Physics - by Charles Kittle
半导体应用：
硅是集成电路产业的基础，半导体材料中98％是硅，半导体硅工业产品包括多晶硅、单晶硅（直拉和区熔）、外延片和非晶硅等，其中，直拉硅单晶广泛应用于集成电路和中小功率器件。区域熔单晶目前主要用于大功率半导体器件，比如整流二极管，硅可控整流器，大功率晶体管等。单晶硅和多晶硅应用最广。
中彰国际（SINOSI）是一家致力于尖端科技、开拓创新的公司。中彰国际（SINOSI）能够规模生产和大批量供应单晶硅、多晶硅及Φ4〃- Φ6〃直拉抛光片、 Φ3〃- Φ6〃直拉磨片和区熔NTD磨片并且可以按照国内、外客户的要求提供非标产品。
单晶硅
单晶硅主要有直拉和区熔
区熔（NTD）单晶硅可生产直径范围为：Φ1.5〃- Φ4〃。直拉单晶硅可生产直径范围为：Φ2〃-Φ8〃。
各项参数可按客户要求生产。
多晶硅
区熔用多晶硅：可生产直径Φ40mm－Φ70mm。直径公差(Tolerance)≤10%，施主水平＞300Ω.㎝，受主水平＞3000Ω.㎝，碳含量＜2×1016at/㎝3 。各项参数可按客户要求生产。
切磨片
切磨片可生产直径范围为：Φ1.5〃- Φ6〃。厚度公差、总厚度公差、翘曲度、电阻率等参数符合并优于国家现行标准，并可按客户要求生产。
抛光片
抛光片可生产直径范围为：Φ2〃- Φ6〃，厚度公差、总厚度公差、翘曲度、平整度、电阻率等参数符合并优于国家现行标准，并可按客户要求生产。
高纯的单晶硅棒是单晶硅太阳电池的原料，硅纯度要求99.999％。单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。
单晶硅是转化太阳能、电能的主要材料。在日常生活里，单晶硅可以说无处不在，电视、电脑、冰箱、电话、汽车等等，处处离不开单晶硅材料；在高科技领域，航天飞机、宇宙飞船、人造卫星的制造，单晶硅同样是必不可少的原材料。
在科学技术飞速发展的今天，利用单晶硅所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能源革命的开始。现在，国外的太阳能光伏电站已经到了理论成熟阶段，正在向实际应用阶段过渡，太阳能单晶硅的利用将普及到全世界范围，市场需求量不言而喻。
直拉硅单晶广泛应用于集成电路和中小功率器件。区域熔单晶目前主要用于大功率半导体器件，比如整流二极管，硅可控整流器，大功率晶体管等。
区熔（NTD）单晶硅可生产直径范围为：Φ1.5〃- Φ4〃。
直拉单晶硅可生产直径范围为：Φ2〃-Φ8〃。
硅单晶被称为现代信息社会的基石。硅单晶按照制备工艺的不同可分为直拉（CZ）单晶硅和区熔（FZ）单晶硅，直拉单晶硅被广泛应用于微电子领域，微电子技术的飞速发展，使人类社会进入了信息化时代，被称为硅片引起的第一次革命。区熔单晶硅是利用悬浮区熔技术制备的单晶硅。它的用途主要包括以下几个方面。
1、制作电力电子器件
电力电子技术是实现电力管理，提高电功效率的关键技术。飞速发展的电力电子被称为“硅片引起的第二次革命”，大多数电力电子器件是用区熔单晶硅制作的。电力电子器件包括普通晶闸管(SCR)、电力晶体管GTR、GTO以及第三代新型电力电子器件——功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(PIC)等，广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程中。制作电力电子器件，是区熔单晶硅的传统市场，也是本项目产品的市场基础。
2、制作高效率太阳能光伏电池
太阳能目前已经成为最受关注的绿色能源产业。美国、欧洲、日本都制定了大力促进本国太阳能产业发展的政策，我国也于2005年3月份通过了《可再生能源法》。这些措施极大地促进了太阳能电池产业的发展。据统计，从1998—2004年，国际太阳能光伏电池的市场一直保持高速增长的态势，年平均增长速度达到30%，预计到2010年，仍将保持至少25%的增长速度。
晶体硅是目前应用最成熟，最广泛的太阳能电池材料，占光伏产业的85%以上。美国SunPower公司最近开发出利用区熔硅制作太阳能电池技术，其产业化规模光电转换效率达到20%，为目前产业化最高水平，其综合性价比超过直拉单晶硅太阳能电池（光电转换效率为15%）和多晶硅太阳能电池（光电转换效率为12%）。这项新技术将会极大地扩展区熔硅单晶的市场空间。据估计，到2010年，其总的市场规模到将达到电力电子需求规模，这是本项目新的市场机会。
3、制作射频器件和微电子机械系统（MEMS）
区熔单晶还可以用来制作部分分立器件。另外采用高阻区熔硅制造微波单片集成电路（MMIC）以及微电子机械系统（MEMS）等高端微电子器件，被广泛应用于微波通讯、雷达、导航、测控、医学等领域，显示出巨大的应用前景。这也是区熔单晶的又一个新兴的市场机会。
4、制作各种探测器、传感器，远红外窗口
探测器、传感器是工业自动化的关键元器件，被广泛应用于光探测、光纤通讯、工业自动化控制系统中以及医疗、军事、电讯、工业自动化等领域。高纯的区熔硅单晶是制作各种探测器、传感器的关键原材料，其市场增长趋势也很明显。
图片参考：
http://www.sinosi.com/chinese/Products%20Gallcry/Semi-Silica/Semi-Conductor%20Silicon.htm
http://www.istis.sh.cn/list/list.asp?id=2214
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 。
如今的美国仍是半导体行业发展的优势者，在半导体产业发展之初，美国是如何发展并获得如今的地位？ICViews编译了美国半导体发展的简史，期望从美国半导体的发展历程中找到一些答案。
早期的美国产业政策为各种参与者提供了角色：小公司在技术前沿进行试验，而大公司追求流程改进，来扩大这些创新的规模。美国政府的需求确保了实验在财政上是可行的，而技术转让规定确保了大公司和小公司共享进步。重要的是，定期采购为企业提供了继续迭代所需的流动性，而无需依赖大规模的一次性产品。这种工业政策鼓励创新，确保小公司能够获得国内大规模生产创新设计的机会，同时允许大公司获得大规模生产这些创新设计的好处。
随着行业的成熟和竞争环境的变化，美国政策框架也发生了变化。
自20世纪70年代以来，产业政策逐渐被轻资本的“科学政策”战略所取代，而庞大的龙头企业和轻资产创新者已经取代了一个由大小生产型企业组成的强大生态系统。虽然这一战略最初取得了成功，但它已经造成了一个脆弱的体系。如今，半导体行业一方面受到脆弱的供应链的约束，这些供应链仅为少数拥有庞大资金链的公司量身定制，另一方面又受到许多轻资产设计公司的约束。
尽管美国半导体行业在上世纪90年代重获主导地位，但由于这种政策方针，导致如今美国半导体行业的技术和商业优势比以前更加脆弱。随着台积电的崛起超过英特尔，美国已经失去了前沿技术，美国企业面临着关键的供应瓶颈。疫情暴露出的供应链问题表明：半导体作为一种通用技术，在几乎所有主要供应链中都发挥着作用，且半导体生产是一个至关重要的经济和国家安全问题。虽然政策可以发挥明显作用，但对于技术进步的过程又有其限制性，支持新思想的发展，而不是将新技术转向资本。制程技术的创新是一种实践的过程，需要不断建立与营运新的生产线。但在美国的低资本环境中，半导体产业很难达到边做边学。
半导体供应链的每个部分都有技术创新，并受益于多样化的参与者和动态的劳动力市场。劳动力不仅是技术前沿的成本中心，而且是创新过程的关键投入。在解决目前的短缺问题时，政策制定者应该认识到半导体产业政策的教训，创建一种强劲竞争生态系统来激励创新。
在半导体行业成立之初，美国政府利用产业政策和科学政策帮助培育了半导体企业的多样化生态。财政支出为这个高度投机的行业提供了必要的流动性。为了保持创新和充满活力的竞争生态系统，战略也需要持续的干预。
美国美国国防部(DoD)使用采购协议和准监管措施来确保公司的生态系统和技术进步的广泛传播。美国政府合同为早期的公司创造了一个现成的市场，美国国防部渴望扮演第一客户的角色。由于确信会有大规模半导体生产的需求，对于许多早期的小公司来说产能投资在财务方面是可行的。
作为许多公司的核心客户，美国国防部对行业的最新技术发展有着清晰的看法，并利用这种看法直接促进公司和研究人员之间的对话和知识共享。与此同时，“第二来源”合同要求美国国防部购买的任何芯片都必须由至少两家公司生产，将采购与技术转让联系起来。美国国防部甚至要求贝尔实验室和其他大型研发部门公布技术细节，并广泛授权他们的技术，确保所有可能与美国国防部签约的公司都能获得创新的基石。
这一体系加快了行业的创新步伐，并迅速蔓延。政府采购协议确保了投资者的支出意愿，而且也增加了用于重复生产的资本货物的支出，从而帮助流程得到显著改进。与此同时，工人在整个系统中自由流动，可以在一家公司获得的知识应用于改善其他公司的生产流程。
在这种竞争环境下，结合那个时代的反垄断做法，鼓励大公司发展大型研究实验室，鼓励小公司进行疯狂的实验。成功的实验帮助创建了新的大公司，或者被已经存在的大公司扩大规模。来自美国国防部的行业指导帮助推动技术向新的方向发展，同时保持行业产能的一致性和针对性。至关重要的是，这一战略在隐性上优先考虑的是整个板块新技术的发展，而不是让任何一家公司的收入最大化或成本最小化。如果公司需要投资并持有资本货物的话，也有融资的渠道。政府保护这个行业不受所谓的“市场约束”的影响，以便产业把重点放在创新和生产上，而不是狭义的经济成功上。
然而，到20世纪60年代末，行业发展迅速，导致政府采购以及政府通过第二源合同等实施准监管的能力已经变得相对不重要了。20世纪40年代末，半导体行业的存在是以军事采购为基础的，但到60年代末，军事采购在市场中所占的比例不到四分之一。
20世纪70年代：蓬勃发展的商业市场
这一时期，尽管美国政府采购和指导相对不重要，但由于商业应用的繁荣和缺乏严肃的国际竞争，美国国内半导体公司迎来了黄金时代。
虽然产业政策促进了早期的创新和产能建设，但在20世纪70年代，政策的相对缺失却几乎没有被注意到。可以肯定的是，政府采购在20世纪70年代仍然发挥了一定的作用，但随着私营企业开始将电子产品纳入其供应链，它们成为了更重要的采购商。开始大规模生产计算机也与半导体的发展有着共生关系，因为芯片的需求推动了封装和集成的进步。
事实上，美国国防部的优先级和商业客户的优先级出现了分歧。美国国防部为特定的军事问题寻找合适的解决方案，尤其是基于非硅的或宇宙级的半导体的开发，这些涉及的商业应用很小。政府和半导体公司都认识到，这个行业不再需要直接指导。所以，双方的需求开始出现分歧。
在20世纪70年代，蓬勃发展的非国防市场意味着成功的小公司和大公司在没有政府支持或协调的情况下也能共存。技术的改进转化为工艺的改进，后者反过来又推动了前者的进一步改进。MOS IC、微处理器、DRAM等新发明将行业推向了新的高度，并递归式地提出了进一步的创新路径。
在普遍繁荣和创新的环境下，半导体展现出作为通用技术的重要性，在整个经济中都得到了广泛应用。尽管美国的大型研究实验室以及制造部门持有了大量资产，但在国际上缺少竞争以及市场的蓬勃发展确保了无论是在创新还是利润方面，大多数投资最终都是可行的。
20世纪80年代：国际竞争激烈
然而，这种竞争环境所带来乐观情况在上世纪80年代被打断，当时，在日本国际贸易产业省的产业政策指导下，美国将市场和技术主导地位拱手让给了日本企业。
美国政府最初不得不创建半导体市场，而日本能够围绕一个快速增长且已经存在的市场制定产业政策。因此，日本能够采取比美国严厉得多的建设基础设施的政策，协调计算机和半导体领域的合资企业，因为日本知道自己的产品有现成的商业市场。虽然政府支持和协调投资的战略与美国在五六十年代使用的战略相同，但用于实施该战略的战术是为适应上世纪80年代的竞争环境而量身定做的。
来自日本的竞争对美国公司产生了巨大的影响。在随后的市场动荡中，许多人永久退出了DRAM市场。行业还成立了倡导小组来进行生产协调，并游说政府对关税和实施贸易政策进行干预。半导体工业协会游说要对日本的“倾销”采取保护措施，同时成立了半导体研究公司，组织和资助与商业市场相关但与美国国防部无关的半导体开发方面的学术研究。半导体制造联盟由行业成员与美国国防部共同资助，一开始的目的主要是用较早期的产业政策推动企业之间的横向合作。但是，为了成本的最小化，联盟很快就把重点转向供应商与制造商之间的垂直整合上面。
落后的半导体已经成为商品，可互换，并根据单位成本进行判断。由于技术和经济因素的共同作用，传统的垂直整合公司在20世纪80年代开始解体。鉴于当时美国的经济形势，在竞争激烈得多的全球市场上，人们几乎没有兴趣投资于低附加值活动的产能。
相反，大公司吸纳了小公司仍然拥有的生产力，创建了大企业集团。MOS晶体管作为行业主导设计的出现，公司开始采用类似的设计原则，使专攻制造的“代工厂”变得经济。随后的垂直解体导致了大型、垂直整合的企业集团的出现，与专注于设计的小型“无晶圆厂”公司共存，这些公司进行设计，但不生产芯片。理论上，这些“无晶圆厂”公司在追求创新设计策略的同时最小化成本，且保留了灵活性。20世纪90年代，随着美国公司开创新的产品类别，日本公司面临来自韩国的竞争，美国行业对这一战略的接纳导致了市场份额的复苏。
在政策方面，美国从未回归到国内产业政策。相反，国外产业政策计划的成功是国内整合、垄断、贸易保护主义以及科学研究资金合力来实现的。
20世纪90年代：科学政策，而非产业政策
20世纪80年代本行业面临着技术和竞争环境的变化，90年代则见证了美国新的“科学政策”走向高潮。20世纪90年代，无论是美国过去采取的那种政策，还是更多受到日本通产省影响的做法，美国都没有重返产业政策，而是将“科学政策”的引入视为政府在半导体制造领域采取行动的新范式。科学政策的重点是促进与公司个体的公私合作，让行业研发与学术研发更紧密地结合，保证研究力量的广泛性，形成可支持轻资产运营的创新型公司的行业结构。
政策目标从创建一个具有强大供应链的强大竞争生态系统转变为创建公私机构，以协调研究人员、无晶圆厂设计公司、设备供应商和大型“冠军企业”之间的复杂切换。这样一来，没有企业需要在研发上投入过量的资金，从而保持全球成本竞争力，而政府也可以避免大规模投资支出。下面的图表来自于半导体行业协会制作的1994年美国国家半导体技术路线图，展示了科学政策背后的策略：
“科学政策”的中心主题是非冗余的效率，这与早期的产业政策侧重于冗余和重复，形成对比。早期产业政策大大加快创新步伐，并确保了单个公司的失败不会影响供应链的稳健，但这确实意味着大量的重复投资。尽管这种方法有助于推动流程改进的采用，静态股东价值最大化表明，这种重复在经济上太浪费了。
过去几十年的产业政策促进了大规模就业，这是创新的核心驱动力。而20世纪90年代的“科学政策”为了最低效率而避免了这种做法。员工频繁更换公司，边做边学是创新的核心途径。事实上，《经济地理》中的“非交易的相互依赖”文献在一定程度上解释了半导体行业工人群体的融合对该行业的快节奏创新是多么重要。虽然在一个地方保持大量的工人是许多进步的关键，但在这个新的竞争环境中，这被视为一种浪费。劳动力在单位成本中占有相当大的比例，企业相信，如果他们能有策略地缩小规模，全球竞争力就会恢复。
在半导体行业的早期，相对价格不敏感的政府合同占总销售额的很大一部分，这种低效率被看作是创新的成本。随着外国竞争对手的加入，成本敏感的商业市场成为半导体的主要买家，这种能力的复制似乎像是一个纯粹的成本中心，对很多公司却没有什么好处。对盈利能力的担忧意味着要确保重复的工作要尽可能少，以便在对价格敏感、竞争激烈的环境下控制成本。这造成了一个集体行动的问题，即削减开支符合每个企业的利益，但这样做进一步恶化了美国企业的创新能力。
在20世纪90年代，美国政府没有回到产业政策，而是选择了成本低得多的科学政策项目。理想情况下，“科学政策”将允许政府协调企业相互矛盾的节约愿望，而不会在技术上进一步落后。然而，为了符合时代精神，美国政府也在努力节约，不会为产业政策在新的竞争环境中取得成功提供所需的大规模财政支持。
相反，政府将花费更少的钱，并尝试开创一种劳动分工，允许所有参与者在不牺牲技术前沿的前提下削减成本，以追求利润。为此，它一方面资助学术研究实验室的研发，另一方面资助产业集团将研究转化为商业能力。在某种程度上，这进一步降低了单个公司的研发投资，因为进步只创造了最小的竞争优势。这种结构没有建立具有重叠供应链的生态系统，而是形成了一种分工，每家企业与机构都负责一个明显可分割的单独部分。同时，宽松的贸易政策与密切的贸易网络，让企业能更经济地进入无工厂模式，发展轻资产战略。目的是通过解决一个集体行动问题，减少整个系统的冗余，从而为公共和私营部门以最经济的方式重新夺回技术前沿。
在短期内，这个策略奏效了！到上世纪90年代末，美国半导体和其他技术领域的投资普遍繁荣，美国成功地恢复了技术优势。这个行业得以在保持国际竞争力的同时，又不需要国内产业政策大规模财政支持的情况下进行创新。大多数公司个体把研发重点集中在生产过程开发的下一两个节点上，而更长期的研究则是由政府资助的学术研究人员来组织。产业团体介入，将这种学术研究转化为商业行为，并在很大程度上消除了研发和生产的重复劳动成本。大型集中的研究实验室被掏空，供应链变得更狭隘，仅针对少数核心公司的研究需求。
21世纪：互联网泡沫破灭和收益递减
然而，这种策略的短期成功是以巨大的长期成本为代价的。劳动力和资本的冗余有助于确保公司能够快速改进内部化流程，同时也培训下一代工程师和技术人员。虽然从单一时期股东收益静态最大化的角度来看，这种重复可能是多余的，但它对确保长期创新轨迹至关重要。“消除冗余”和“增加脆弱性”是同一枚硬币的两面。
从长期来看，劳动力和资本投资不足会在某些方面显现出来，无论是在资产负债表上，还是在创新能力上，或者两者兼而有之。就目前情况而言，美国有可能失去其在尖端设计方面的优势，而且在尖端制造领域的霸主地位已在很大程度上被台积电夺走。将投资过程中的一部分分配给每家公司可能会使每家公司的资产负债表看起来更加稳健，但由于持续的投资不足，整个行业已经变得更加脆弱。数十年的劳动力成本最小化使得熟练技术人员和工程师的数量减少，而数十年的产能投资不足也阻碍了国内企业应对目前劳动力短缺的能力。
该行业目前的问题是科学政策战略的长期自然结果，该战略在上世纪90年代末和21世纪初似乎非常成功。整合和垂直整合的驱动力集中在学术实验室的长期研究、庞大的“冠军企业”和轻资产的“无晶圆厂”创新者，创造了一个摇摇欲坠的竞争生态系统。
由于这些冠军企业在竞争格局中占据的比例非常大，它们的研发优先级和中间投入需求为整个行业设定了条件。像英特尔这样的大买家可以或明或暗地利用他们的相对垄断权力，围绕他们的需求来构建供应链。当更广泛的经济需求发生转变时，例如疫情爆发以来，这些脆弱的供应链很容易出现问题。这种脆弱性是供应链优化的结果，但这种优化针对的是短期盈利能力以及消除冗余，而不是针对整个经济的需求。
无论是有意还是无意，这些大型也会围绕自身的财务需求和计划来制定技术发展道路。因此，学术实验室的研发与税收优化和私营企业单位成本最小化相结合的政策组合，创造了重大的技术路径依赖。与此同时，从技术意义上讲，这些企业“太大而不能倒”：如果它们错过了流程改进，同样规模的国内竞争对手的缺席意味着整个行业都错过了这一进步。在这个意义上，技术政策作为一个整体被委托给了私营行为者。
从研发到生产的过程，也出现不一致的反馈。科学政策的关键是将知识产权的创新与生产过程的创新分开；也就是说，科学政策优先考虑研究、设计与创意，而不是实施、生产与投资。因此，专注于设计的无工厂公司兴起，并将制造外包给海外的代工厂。
然而，把研发放在首位反而会降低创新的速度。单是补贴研发跟激励离岸外包没有什么区别：政策奖励的是知识产权的发展，而不是有形资产的所有权。问题在于，过程改进来自于新物理资产所包含的新技术的实施。“边做边学”是技术创新的关键部分。优秀的工程师希望对供应链每一个环节的生产过程的每一个步骤都进行创新。前沿设计的离岸和外包生产给流程周围引入了一个黑箱，导致收益无法实现最大化的类似问题无法得到纠正。只把焦点放在研发上，会把这些过程改进的发展离岸化，导致国内的生产商吃不饱，同时还阻碍了劳动力开发新技能。
学术研究偏离了商业化的道路，无法驱动产业的创新。考虑到学术研究往往围绕着与当前生产相关性低的问题展开，因此有时无法为现有技术的替代应用或替代过程驱动的创新路径提供见解。由于科学政策让这个群体负责整个行业的长期创新战略，这一盲点不能被忽视。事实上，摩尔定律的失败，以及在许多应用中为异质芯片设计独特的转变，这些都很好地说明了创新在任何时候往往都暗示着技术发展存在。
数十年来在工业产能和就业方面的投资失败，造成了美国企业高度依赖外部制造工厂的局面。台积电目前投资于一家中国台湾本土制造工厂的计划，表明该公司试图通过收购来解决这个问题，而不减少我们对单一供应商提供领先设计的依赖。相反，我们应该回顾半导体生产初期的产业政策 历史 ，重新夺回技术前沿，在供应链的每一个节点上推动创新。
如今，美国面临着半导体短缺和创新能力减弱的问题，政策制定者正考虑采取严肃的干预措施。虽然现在解决目前的短缺可能已经太晚了，但可以防止下一次短缺。美国两党对基础设施支出的广泛支持、疫情后重建得更好的必要性，以及对半导体采购的国家安全担忧，都应该鼓励政策制定者认为，现在正是进行雄心勃勃的改革的时候。如上所述，半导体产业政策的 历史 为如何最好地创造高就业、技术创新和强大的国内供应链提供了许多经验教训。
历史 表明，科学政策是产业政策的必要补充，但本身是不够的。协调研发是任何解决方案的必要组成部分，但并非全部解决方案。为了获得工艺改进，并确保劳动力具备在技术前沿 *** 作的足够技能，该行业需要看到持续的产能扩张。然而，正如我们之前所显示的，在低需求环境下，私营企业明显不愿进行不确定的投资。产业政策，通过结合政府采购和融资担保、直接融资等方式，是为该行业提供充足流动性的唯一途径，以确保产能扩张足够快，该行业保持在技术前沿。同时，政府有财政能力让国内企业生产落后的半导体产品，以保障国家安全和供应链的d性理由。从长远来看，以股东最大化为目标的产业外包政策尚未形成。
同样重要的是要认识到强劲的经济需求和因此而紧张的劳动力市场，特别是半导体生产的劳动力市场，对这些政策的成功至关重要。由政府主导的强有力的投资建设将为各种经验和技能水平的人创造良好的就业机会。这将创造高技能的劳动力，以及驱动有意义的过程改进的边做边学的充足机会。在高技能、高资本密集度的行业，劳动力几乎就像另一种形式的资本商品，为投资支付明显的红利。然而，在缺乏足够的就业机会的情况下，这些专业技能会随着工人转向其他行业而消失。这并不是说提高劳动力技能就足够了：如果立法创造了培训项目，却没有同时创造必要的就业机会和投资，那么很快就会弄巧成拙。
在半导体和其他关键行业的产业政策所需的资金投入规模上，一些人可能会犹豫不决。这是一个巨大的市场，有着巨大的价格标签，现代制造工厂的成本高达数十亿美元。然而，半导体是一种关键的通用技术，几乎进入每一个供应链。大规模的产业政策可以防止瓶颈时期拖累经济增长，同时为国家安全需求创建一个强大的国内供应链。相对于最初对半导体技术的投资，回归产业政策的成本要高得多，但回报会更高。作为4万亿美元基础设施或两党供应链法案的一部分，振兴落后和领先的行业，并恢复一个强大的竞争生态系统，是一项不容错过的好投资。
政策目标很简单：制定一个扩大的产业政策工具包，以鼓励创新、国内劳动力市场紧张以及维护关键的供应链基础设施。半导体作为一个产业，由于投资规模和所需的工作岗位，是制定这些政策工具的理想起点。重建一个强劲的创新环境，也将有助于美国持久地回到技术前沿，并创造就业和投资，在未来几年带来回报。半导体在现代工业经济中发挥着至关重要的作用，它们的技术路线太重要了，不能以短期盈利能力为指导。政府有机会也有责任利用产业政策在下一次短缺发生之前阻止它，同时确保美国保持其在技术前沿的地位。
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