学习电子电路、通信原理、半导体物理、微电子，中学物理不好，可以学吗？

是微电子学专业的吧？

你说的前两门课和高中知识关系不大，后两门没学过、所以不敢妄加评论

你说的电子电路是专门指模电吗

模电确实比较麻烦，但难点主要是三极管、场效应管，后面运放什么的简单多了

先修课程应该有电分、数电的吧

通原嘛。。先修课程信号与系统是必要的，其他关系不是很大

通原的特点就是多，内容相当多，所以一定要花时间

因为几乎每一章甚至每一节都可能是一门课程的概括

里面包括了信息论、无线通信、通信电子线路、锁相环、数字通信等很多东西

樊昌信那本应该是最经典的

人教版高中物理(选修3-2) 重、难点梳理 第 四 章 电磁感应 第1节 划时代的发现 第2节 探究电磁感应的产生条件 一、学习要求： 1、通过学习，使学生了解自然界的普遍联系的规律，科学的态度、科学的方法，是研究科学的前提，对科学的执着追求是获得成功的保证。从而培养学生学习物理兴趣，激发学习热情。 2、通过学习使学生知道科学的道路不平坦，伟人的足迹是失败、挫折+成功。 3、知道电磁感应及产生电磁感应的条件。 4、理解磁通量及其变化。 二、教材重点： 1、揭示“电生磁”与“磁生电”发现过程的哲学内涵。正确的理论指导和科学的思想方法是探究自然规律的重要前提。 2、磁通量的概念及磁通量与磁感应强度的关系。 3、通过对产生感应电流的条件和磁通量变化的分析，养成良好的过程分析习惯。 4、磁通量变化的各种形式。 三、教材难点： 1、以实验为基础，探究产生感应电流的条件。 2、控制实验条件，通过由感性到理性，由具体到抽象的认识方法分析归纳出产生感应电流的规律。 3、电磁感应中的能量守恒。 四、教材疑点： 1、移动磁铁的磁场引起感应电流时，磁铁内部的磁感线和外部的磁感线方向相反，形成闭合的曲线，教材中没有显示内部磁感应线。 2、磁通量是双向标量，教材中虽然没有提出，但在应用中不可避免地涉及到。 五、学生易错点： 1、对产生感应电流的条件的理解 ①闭合电路中的“闭合”在应用中易忽视。 ②磁通量发生变化，而不是磁场的变化。 2、磁铁内部的磁感线条数跟外部所有磁感线的条数相等 3、各种磁感线的分布规律及形状 4、磁通量增减的判断 六、教材资源： 1、自然现象之间的相互联系和相互转化的哲学思想，指导科学探究是奥斯特和法拉第获得成功的前提。 2、科学的规律在实验中总结出来的，实验是物理学科的基础。同时由具体到抽象，由感性到理性的高度概括是得到正确结论的关键。 3、教材中值得重视的题目是：P9第6题、P10第7题。 第3节 愣次定律 一、学习要求 1.经历实验探究过程，理解楞次定律。 2.会用楞次定律判断感应电流的方向。 在电磁感应现象里不要求判断内电路中各点电势的高低。 二、教材重点 1．楞次定律的获得及理解。 2．应用楞次定律判断感应电流的方向。 3．利用右手定则判断导体切割磁感线时感应电流的方向。 三、教材难点 楞次定律的理解及实际应用。 四、教材疑点 对“阻碍”的理解, 运用楞次定律判断感应电流方向的具体步骤 五、学生易错点 感应电流磁场方向与原电流磁场磁场方向关系 六、教学资源 1． 教材中的思想方法 通过实践活动，观察得到的实验现象，再通过分析论证，归纳总结得出结论。 2． 问题与练习 1、4、5、7 第4节 法拉第电磁感应定律 一、学习要求 1、理解法拉第电磁感应定律。 2、理解计算感应电动势的两个公式E=BLv和E＝ΔΦ/Δt的区别和联系，并应用其进行计算。对公式E=BLv的计算，只限于L与B、v垂直的情况。 3、知道直流电动机工作时存在反电动势，从能量转化的角度认识反电动势。 二、教材重点 法拉第电磁感应定律。 三、教材难点 平均电动势与瞬时电动势区别。 四、教材疑点 法拉第电磁感应定律无法作定量的实验验证，更无法进行定量测量，只能将结论直接告诉学生。 五、学生易错点 Φ,ΔΦ,ΔΦ/Δt区别 六、教学资源 问题与练习：3、4、5、7 第5节 电磁感应定律应用 一、学习要求 1．知道感生电场。 2．知道电磁感应现象与洛仑兹力 3、通过同学们之间的讨论、研究增强电磁感应现象与洛仑兹力认知深度，同时提高学习物理的兴趣。 4、通过对相应物理学史的了解，培养热爱科学、尊重知识的良好品德。 二、教学重点 电磁感应现象与洛仑兹力 三、教学难点 电磁感应现象与洛仑兹力的理解。 四、教学资源 感生电场与感应电动势 第6节 互感和自感 一、学习要求 1、知道什么是互感现象和自感现象。 2、知道自感系数是表示线圈本身特征的物理量，知道它的单位及其大小的决定因素。 3、知道自感现象的利与弊及对它们的利用和防止。 4、能够通过电磁感应部分知识分析通电、断电自感现象的原因及磁场的能量转化问题。 5、通过对两个自感实验的观察和讨论，培养学生的观察能力和分析推理能力。 7、通过自感现象的利弊学习，培养学生客观全面认识问题的能力。自感是电磁感应现象的特例，使学生初步形成特殊现象中有它的普遍规律，而普遍规律中包含了特殊现象的辩证唯物主义观点 二、教学重点 1．自感现象。 2．自感系数。 三、教学难点 分析自感现象。 四、教学资源 自感现象的分析与判断 第七节 涡 流 电磁阻尼 电磁驱动 一、学习要求 通过实验了解涡流现象及其在生产和生活中的应用。 二、教材重点 1．涡流的概念及其应用。 2．电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。 三、教材难点 电磁阻尼和电磁驱动的实例分析 四、教学资源 〔演示1〕涡流生热实验 〔演示2〕电磁阻尼。 按照教材“做一做”中叙述的内容，演示电表指针在偏转过程中受到的电磁阻尼现象。 〔演示3〕电磁驱动。 引导学生观察并解释实验现象。 第五章 交变电流 第1节 交变电流 教材分析 交变电流是生产和生活中最常用到的电流，而正弦电流又是最简单和最基本的。正弦式电流产生的原理是基于电磁感应的基本规律，所以本章是前一章的延续和发展，是电磁感应理论的具体应用。另一方面，本节知识是全章的理论基础，由于交变电流与直流不同，因此它对各种元件的作用也不同。正因为交变电流的特殊性，才有了变压器及其广泛的应用。所以，本节内容有承上启下的作用。 内容标准 知道交变电流，能用函数表达式和图像描述交变电流。 一、学习要求 1.知道交变电流。 2.通过模型或实验认识交变电流的产生过程，了解正弦式交变电流。 二、教材重点 1. 运用电磁感应的基本知识，分析交变电流的产生过程 2．认识交变电流的特点及其变化规律。 三、教材难点 交变电流的产生过程 四、教材难点 .交变电流的变化规律 五、教学资源 用图象表示交变电流的变化规律是一种重要方法. 第2节 描述交变电流的物理量 教材分析 与恒定电流不同，由于交变电流的电压、电流等大小和方向都随时间做周期性变化，需要用一些特殊的物理量来描述它在变化中不同方面的特性，本节主要介绍这样一些物理量。 一、学习要求 1. 知道交变电流的周期和频率，知道我国供电线路交变电流的周期频率. 2. 知道交变电流和电压的峰值，有效值及其关系. 3、 会用图象和函数表达式描述正弦交变电流。 二、教材重点 交变电流的有效值 三、教材难点 一般电流有效值的求解 四、教学资源 通过思考讨论，使学生明白，从电流热效应上看，交流电产生的效果可以与某地恒定电流相等，由此引入有效值的概念. 1．定义：让交流与恒定电流通过相同的电阻，如果它们在一周期内产生的热量相等，就把这个恒定电流的值（I或U）叫做这个交流的有效值. 课本第一次明确地用一个周期T来定义有效值，使得有效值的概念更加准确. 2. 正弦交变电流的有效值与峰值的关系 这一关系只对正弦式电流成立，对其它波形的交变电流一般不成立. 其它波形的交变电流的有效值就根据有效值的定义去求解。 3. 几点说明：①各种使用交变电流的电器设备上所标的额定电压、额定电流均指有效值；② 交流电压表和交流电流表所测量的数值也都是有效值；③将电容器接入交流电路中，其耐压值应不小于交变电流的最大值，但熔丝的选择应据有效值来确定其熔断电流；④一般情况下所说的交变电流的数值，若无特别说明，均指有效值。 4．有效值与平均值的区别：交变电流的有效值是按照电流的热效应来规定的，对一个确定的交变电流，其有效值是一定的，而平均值是由E=ΔΦ/Δt来确定的，其数值大小与时间间隔有关。在计算交变电流通过导体产生的热量、热功率时，只能用有效值，而不能用平均值；在计算通过导体截面的电量时，只能用交变电流的平均值，即q = It 。 第3节 电感和电容对交变电流的影响 教材分析 突出交流与直流的区别，加深学生对交变电流特点的认识。教材介绍了电感和电容在交浪电路中的作用，但不深入讨论感抗和容抗的问题，不在理论上展开讨论，而是尽可能用实验说明问题。 一、学习要求 1. 用实验方法了解电感在电路中对直流有导通作用，也能通过交变电流，定性了解电感对交流有阻碍作用，知道影响感抗大小的因素 2. 用实验方法了解电容器在电路中起隔断电流、导通交变电流的作用，定性了解电容器对交变电流有阻碍作用，知道影响容抗大小的因素. 二、教材重点 让学生知道电感和电容对交变电流的影响，并能定性解决有关问题. 三、教材难点 通过实验，了解电容器和电感器对交变电流的导通和阻碍作用。 教学资源 1、电感对交变电流的阻碍作用 2、交变电流能够通过电容器 第4节 变压器 一、学习要求 1、了解使用变压器的目的，知道变压器的基本构造，知道理想变压器和实际变压器的区别 2、知道变压器的工作原理，会用法拉第电磁感应定律解释变压器的变比关系 3、知道不同种类变压器的共性和个性 二、教材重点 变压器的工作原理，互感过程的理解 三、教材难点 对多个副线圈的变压器，或铁芯"分叉"的变压器，变比关系的推导和理解 四、教材疑点 当输出功率为零时，原线圈上为什么还有电流？这个电流有什么作用？ 五、学生易错点 1、电压互感器与电流互感器在应用中的连线方法 2、电流与匝数的关系 六、教材资源 1、实验：探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系。这个实验包含了探究问题的一般方法和过程，能很好地培养学生的动手能力。 2、电流互感器和电压互感器。 第5节 电能的输送 一、学习要求 1、知道“便于远距离输送”是电能的优点之一，知道输电的过程． 2、知道什么是输电导线上的功率损失和如何减少功率损失． 3、知道什么是输电导线上的电压损失和如何减少电压损失． 4、理解为什么远距离输电要用高压． 二、教材重点 变压器电压关系与功率关系的理解与应用 三、教材难点 输电线上电压损失与功率损失的理解与应用 四、教材疑点 1、增大输电线的直径减小电阻应该好像比使用变压器提高电压简单 2、直流输电有什么优点 五、学生易错点 在计算电能的损失功率时，输电线上的电压误以为加在输电线电阻上的电压。 六、教材资源 1、科学漫步：输电新技术和超导电缆输电 2、第54页第2题 第 六 章 传 感 器 第1节 传感器及其工作原理 一、学习要求 1、知道什么是传感器，传感器的工作原理。 2、知道传感器中常见的三种敏感元件及其它们的工作原理。 3、了解电容式传感器的应用。 二、重点难点 重点：理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。 难点：分析并设计传感器的应用电路。 三、教材疑点 霍尔元件中的载流子及实际工作中哪一侧电势高。 四、学生易错点 1、在实际应用中传感器是怎样将非电学量转换成对应的电学量的。 2、简单电路的分析。 五、教学资源 1、教材60页第2题介绍9种常见的传感器感受的非电学量转换成对应的电学量。 2、教材60页第1题与59上面的说一说相对应介绍电容式和电感式位移传感器。 第2节 传感器的应用（一） 一、学习要求 1、认识力传感器、声传感器、温度传感器、，了解它们的工作原理。 2、列举传感器在生活和生产中的应用。 3、利用传感器制作简单的自动控制装置 二、重点难点 重点：电子秤、话筒的工作原理。电熨斗的温度传感器和电饭锅的温度传感器构造，并了解它们不同的工作原理。 难点：利用传感器制作简单的自动控制装置。 三、教材疑点 应变片的工作过程，电熨斗的调温旋钮与对应的温度关系。 四、学生易错点 1、电容式话筒和动圈式话筒及驻极体话筒的区别与联系。 五、教学资源 1、教材64页第1、2、3题介绍三种传感器在生活中的具体应用。 第3节 传感器的应用（二） 第4节 传感器的应用实例 一、学习要求 1、知识与技能： ①．理解温度传感器的应用――电饭锅的结构及工作原理 ②．了解温度传感器的应用――各种数字式测温仪的特点及测温元件 ③．理解光传感器的应用――机械式鼠标器的构造及工作原理 ④．了解光传感器的应用――火灾报警器的构造及工作原理 ⑤．会用各类传感器（光传感器、温度传感器等）设计简单的控制电路 ⑥．掌握光控开关电了路的工作原理 ⑦．掌握温度报警器电路的工作原理 二、教材重点 应使学生加深对常用传感器的认识和使用范围。 三、本部分的教学难点是： 对传感器的工作原理的理解 四、本部分疑点是： 传感器的四个典型应用实例电饭锅、测温仪、鼠标器和火灾报警器的工作原理，分析它们如何实现非电学量向电学量的转换，及其进行简单电路的设计，以达到学以致用的目的． 热敏电阻，光敏电阻起都是由半导体材料制成的，分别随着温度的增大、光线的增强，它们里面的自由电子数均增多，故电阻均变小．相反，随着温度的减小、光度的减弱，电阻均变大． 五、学生易错点是： 不能正确理解传感器的工作原理

随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。

值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元

全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。

本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。

20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。

然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。

在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。

笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。

安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。

英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。

第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。

和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。

随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:

与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 : 

1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗

2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化

3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。

氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。

半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。

第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。

前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。

从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。

这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。

此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。

对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。

但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。

在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。

比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。

如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。

吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。

观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。

但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。

业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。

“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。

以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”

作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。

虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。

从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。

泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”

吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。

那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。

第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。

其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。

得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:

光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等

电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等

微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。

现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。

早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《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,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。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。

具体来看当前主要应用领域的发展情况:

1.新能源汽车

新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。

2.光伏

光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。

3.轨道交通

未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。

4.智能电网

目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。

第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。

时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?

从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。

安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。

具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。

另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。

泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。

OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。

虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。

就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。

此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。

OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。

上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。

当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。

在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议  「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」  。

本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。

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