什么是第三代半导体？包你能看懂

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 。

仅仅30余年，已经少有人记得那场在日美之间爆发的芯片战争。

这一战，日本人输得干干净净，从高峰时占据全球近80%的DRAM（俗称电脑内存）份额，跌到现在的零。这场芯片战争完美诠释了什么叫国际政治经济学，亚当.斯密的自由市场竞争理论在大国产业PK中，只是一个美好的童话。

1980年代前五年是日本半导体芯片企业的高光时刻。

硅谷的英特尔、AMD等 科技 创业公司在半导体存储领域，被日本人追着打，然后被反超，被驱离王座，半导体芯片领域（当时主要是半导体存储占据主流）成为日本企业后花园。

美国的 科技 公司败在了模式上。

硅谷的发展模式是，通过风险投资为创业公司注入资金，创业公司获得资金支持后，进行持续的技术创新获得市场，提升公司估值，让后上市，风险资本卖出股票获利退出。这种模式以市场为导向，效率高，但体量小，公司之间整合资源难，毕竟大家都是一口锅里抢饭吃的竞争对手。

日本人的玩法截然不同：集中力量办大事。1974年，日本政府批准“超大规模集成电路（俗称半导体芯片）”计划，确立以赶超美国集成电路技术为目标。随后日本通产省组织日立、NEC、富士通、三菱和东芝等五家公司，要求整合日本产学研半导体人才资源，打破企业壁垒，使企业协作攻关，提升日本半导体芯片的技术水平。

日本的计划也差一点儿夭折，各企业之间互相提防、互相拆台，政府承诺投入的资金迟迟不到位。关键时刻，日本半导体研究的开山鼻祖垂井康夫站了出来，他利用自己的威望，将各怀心思的参与方们捏合到一起。

垂井康夫的说辞简单明了：大家只有同心协力才能改变日本芯片基础技术落后的局面，等到研究成果出来，各企业再各自进行产品研发，只有这样才能扭转日本企业在国际竞争中孤军奋战的困局。

计划实施4年，日本取得上千件专利，一下子缩小了和美国的技术差距。然后，日本政府推出贷款和税费优惠等措施，日立、NEC、富士通等企业一时间兵强马壮，d药充足。

一座座现代化的半导体存储芯片制造工厂在日本拔地而起。随着生产线日夜运转，日本人发起了饱和攻击。

美国人的噩梦开始了。1980年，日本攻下30%的半导体内存市场，5年后，日本的份额超过50%，美国被甩在后面。

硅谷的高 科技 公司受不了市场份额直线下跌，不断派人飞越太平洋到日本侦察，结果让人感到绝望。时任英特尔生产主管的安迪.格鲁夫沮丧地说：“从日本参观回来的人把形势描绘得非常严峻。”如果格鲁夫去日本参观，他也会被吓坏的：一家日本公司把一整幢楼用于存储芯片研发，第一层楼的人员研发16KB容量，第二层楼的人员研发64KB的，第三层人员研发256KB的。日本人这种研发节奏简直就是传说中的三箭齐发，让习惯了单手耍刀的硅谷企业毫无招架之力。

让美国人感到窒息的是，日本的存储芯片不仅量大，质量还很好。1980年代，美国半导体协会曾对美国和日本的存储芯片进行质量测试，期望能找到对手的弱点，结果发现美国最高质量的存储芯片比日本最差质量的还要差。

而且，日本人还拍着胸脯对客户保证：日本的存储芯片保证质量25年！

在日本咄咄逼人的进攻下，美国的芯片公司兵败如山倒，财务数据就像融化的冰淇淋，一塌糊涂。

1981年，AMD净利润下降2/3，国家半导体亏损1100万美元，上一年还赚了5200万美元呢。第二年，英特尔被逼裁掉2000名员工。日本人继续扩大战果，美国人这边继续哀鸿遍野，1985年英特尔缴械投降，宣布退出DRAM存储业务，这场战争让它亏掉了1.73亿美元，是上市以来的首次亏损。在英特尔最危急的时刻，如果不是IBM施以援手，购买了它12%的债券保证现金流，这家芯片巨头很可能会倒闭或者被收购，美国信息产业史可能因此改写。

英特尔创始人罗伯特.诺伊斯哀叹美国进入了“帝国衰落”的进程。他断言，这种状况如果继续下去，硅谷将成为废墟。

更让美国人难以容忍的是，富士通打算收购仙童半导体公司80%的股份。仙童半导体公司是硅谷活化石，因为硅谷绝大部分 科技 公司的创始人（包括英特尔和AMD）都曾经是仙童半导体的员工。在硅谷人心中，仙童半导体神一般的存在，现在日本人却要买走他们的“神”，这不是耻辱么？有一家美国报纸在报道中写道：“这笔交易通过一条消息告诉我们，我们已经很落后了，重要的是我们该如何对此做出应对。”

几年前，硅谷的 科技 公司成立了半导体行业协会（简称SIA）来应对日本人的进攻，经过几年游说，成果如下：将资本所得税税率从49%降低至28%，推动养老金进入风险投资领域。政府不愿出面施以援手。

苦捱到1985年6月，SIA终于炮制出一个让华盛顿不淡定的观点，一举扭转局面。

SIA的观点是：美国半导体行业削弱将给国家安全带来重大风险。

日本不是美国的盟友么，日本半导体崛起，美国半导体衰落，看着就是左口袋倒右口袋的 游戏 ，怎么会威胁到美国的国家安全呢？

SIA的逻辑链是这样的：

此前，SIA游说7年，得到政府的回应总是：美国是自由市场，政府权力不应染指企业经营活动。

这次，SIA的“国家安全说”一出，美国政府醍醐灌顶，从原来的磨磨唧唧变成快马加鞭，效率高的惊人：

1986年春，日本被认定只读存储器倾销；9月，《美日半导体协议》签署，日本被要求开放半导体市场，保证5年内国外公司获得20%市场份额；不久，对日本出口的3亿美元芯片征收100%惩罚性关税；否决富士通收购仙童半导体公司。

美国人这一波 *** 作至少开创了两个记录：第一次对盟友的经济利益进行全球打击；第一次以国家安全为由，将贸易争端从经济学变成政治经济学问题。

负责和日本交涉的美国在亚洲地区的首席贸易代表克莱德.普雷斯托维茨，一面指责日本的半导体芯片产业政策不合理，一面又对它赞叹不已，“所以我对美国政府说我们也要采取和日本相同的政策措施。”

对这种双重标准，曾在日立制作所和尔必达做过多年研发的汤之上隆在自己的书中气愤地说：“这人实在是欺人太甚！”

随着《美日半导体协议》的签署，处于浪潮之巅的日本半导体芯片产业掉头滑向深渊。

日本半导体芯片产业从1986年最高40%，一路跌跌不休跌到2011年的15%，吐出超过一半的市场份额，其中的DRAM受打击最大，从最高点近80%的全球市场份额，一路跌到最低10%（2010年），回吐近70%。

可以说，和美国人这一战，日本人此前积累的本钱基本赔光，举国辛苦奋斗十一年（从1975年到1986年），一夜被打回解放前。

但日本人吐出的肉，并没有落到美国人嘴里，因为硅谷超过7成的 科技 公司砍掉了DRAM业务（包括英特尔和AMD），1986年之后，美国人的市场份额曲线就是一条横躺的死蚯蚓，一直在20%左右。

那么，这70%的巨量市场进了谁的肚子？

答案是韩国。

在日本被美国胖揍的1986年前后，韩国DRAM趁机起步，但体量犹如蹒跚学步的婴儿，在全球半导体芯片业毫无存在感。而且和日本相比，以三星为代表的韩国半导体芯片企业完全是360度无死角的菜鸡：根本打不进日本人主导的高端市场，只能在低端市场靠低价混饭吃；市场体量上，两者就是蚂蚁和大象的区别。

但三星深谙所有的贸易摩擦问题都属于政治经济学范畴，借机干翻了日本大象。

1990年代，三星和面临美国发起的反倾销诉讼，但其掌门人李健熙巧妙利用美国人打压日本半导体产业的机会，派出强大的公关团队游说克林顿政府：“如果三星无法正常制造芯片，日本企业占据市场的趋势将更加明显，竞争者的减少将进一步抬高美国企业购入芯片的价格，对于美国企业将更加不利。”

于是，美国人仅向三星收取了0.74%的反倾销税，日本最高则被收取100%反倾销税，这种 *** 作手法简直是连样子都懒得装。

三星抱上美国的大腿，等于从背后给了日本一刀，让日本彻底出局。

如果没有三星补刀，日本半导体芯片尚有走出困境的希望。

美国人用《美日半导体协议》束缚日本人，并挥动反倾销大棒对其胖揍，但日本半导体存储芯片产业受的只是皮肉伤，因为硅谷的企业超过七成退出了半导体存储芯片行业，市场仍然牢牢掌握在日本人手中，熬过去后，又是一群东洋好汉，毕竟在全球半导体芯片产业链上，日本还是一支难以替代的力量。

三星加入战团并主动站队美国后，难以替代的日本人一下子变的可有可无，韩国人由此成为新宠。随后，三星的DRAM“双向型数据通选方案”获得美国半导体标准化委员会认可，成为与微处理器匹配的内存，日本则被排除在外。这样，三星顺利搭上微处理器推动的个人电脑时代快车，领先日本企业。

从上面的DRAM份额图中可以发现，日本的份额呈断崖式下跌，韩国的则是一条陡峭的上升曲线，一上一下两条线形成一把巨大的剪刀，剪掉的是日本半导体芯片的未来。

此后，即使日本政府密集出台半导体产业扶持政策，并投入大量资金，但也无力回天，日本半导体芯片出局的命运已定。

直到今天，仍有观点认为，韩国半导体芯片的崛起，日本半导体芯片的衰落，是产业转移的结果。这是不准确的，因为产业转移是生产线/工厂从高劳动力成本地区向低劳动力成本地区迁移，日本的半导体芯片企业并没有向韩国迁移生产线，而是直接被替代。美国人实际上联手韩国，重组了全球半导体产业供应链，将日本人从供应链上抹去，使一支在全球看起来不可或缺的产业力量消失得干干净净。

纵观日美芯片战，是否掌握重组全球产业链的能力，才是贸易战中决胜的关键，市场份额的多寡不构成主要实力因素，这也是日本输掉芯片战争的关键原因之一 。

主要参考资料：

《失去的制造业：日本制造业的败北》，作者：汤之上隆；

《日本电子产业兴衰录》，作者：西村吉雄；

《芯事》，作者：谢志峰；

《硅谷百年史》，作者：阿伦.拉奥，皮埃罗.斯加鲁菲。

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