半导体在生活中的应用

半导体在生活中的应用,第1张

试想过你的生活缺少了数字是什么概念吗?那将是一个混乱的世界,无论是你的手机号码、你的身份z号码、还是你家的门牌号,这些全部都是用数字表达的!电子游戏、电子邮件、数码音乐、数码照片、多媒体光盘、网络会议、远程教学、网上购物、电子银行和电子货币……几乎一切的东西都可以用0和1来表示。电脑和互联网的出现让人们有了更大的想象和施展的空间,我们的生活就在这简单的“0”“1”之间变得丰富起来、灵活起来、愉悦起来,音像制品、手机、摄像机、数码相机、MP3、袖珍播放机、DVD播放机、PDA、多媒体、多功能游戏机、ISDN等新潮电子产品逐渐被人们所认识和接受,数字化被我们随身携带着,从而拥有了更加多变的视听新感受,音乐和感觉在数字化生活中静静流淌……

数字生活已成为信息化时代的特征,它改变着人类生活的方方面面,在此背后,隐藏着新材料的巨大功勋,新材料是数字生活的“幕后英雄”。

计算机是数字生活中的重要设备,计算机的核心部件是中央处理器(CPU)和存储器(RAM),它们是以大规模集成电路为基础建造起来的,而这些集成电路都是由半导体材料做成的,Si片是第一代半导体材料,集成电路中采用的Si片必须要有大的直径、高的晶体完整性、高的几何精度和高的洁净度。为了使集成电路具有高效率、低能耗、高速度的性能,相继发展了GaAs、InP等第二代半导体单晶材料。SiC、GaN、ZnSe、金刚石等第三代宽禁带半导体材料、SiGe/Si、SOI(Silicon On Insulator)等新型硅基材料、超晶格量子阱材料可制作高温(300~500°C)、高频、高功率、抗辐射以及蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件,从而大幅度地提高原有硅集成电路的性能,是未来半导体材料的重要发展方向。

人机交换,常常需要将各种形式的信息,如文字、数据、图形、图像和活动图像显示出来。静止信息的显示手段最常用的如打印机、复印机、传真机和扫描仪等,一般称为信息的输出和输入设备。为提高分辨率以及输入和输出的速度,需要发展高灵敏度和稳定的感光材料,例如激光打印机和复印机上的感光鼓材料,目前使用的是无机的硒合金和有机的酞菁染料。显示活动图像信息的主要部件是阴极射线管(CRT),广泛地应用在计算机终端显示器和平面电视上,CRT目前采用的电致发光材料,大都使用稀土掺杂(Tb3+、Sn3+、Eu3+等)和过渡元素掺杂(Mn2+)的硫化物(ZnS、CdS等)和氧化物(Y2O3、YAlO3)等无机材料。

为了减小CRT庞大的体积,信息显示的趋势是高分辨率、大显示容量、平板化、薄型化和大型化,为此主要采用了液晶显示技术(LCD)、场致发射显示技术(FED)、等离子体显示技术(PDP)和发光二极管显示技术(LED)等平板显示技术,广泛应用在高清晰度电视(HDTV)、电视电话、计算机(台式或可移动式)显示器、汽车用及个人数字化终端显示等应用目标上,CRT不再是一支独秀,而是形成与各种平板显示器百花争艳的局面。

在液晶显示技术中采用的液晶材料早已在手表、计算器、笔记本电脑、摄像机中得到应用,液晶材料较早使用的是苯基环己烷类、环己基环己烷类、吡啶类等向列相和手征相材料,后来发展了铁电型(FE)液晶,响应时间在微秒级,但铁电液晶的稳定性差,只能用分支法(side-chain)来改进。目前趋向开发反铁电液晶,因为它们的稳定性较高。

液晶显示材料在大屏幕显示中有一定的困难,目前作为大屏幕显示的主要候选对象为等离子体显示器(PDP)和发光二极管(LED)。PDP所用的荧光粉为掺稀土的钡铝氧化物。用类金刚石材料作冷阴极和稀土离子掺杂的氧化物作发光材料,推动场发射显示(FED)的发展。制作高亮度发光二极管的半导体材料主要为发红、橙、黄色的GaAs基和GaP基外延材料、发蓝光的GaN基和ZnSe基外延材料等。

由于因特网和多媒体技术的迅速发展,人类要处理、传输和存储超高信息容量达太(兆兆)数字位(Tb,1012bits),超高速信息流每秒达太位(Tb/s),可以说人类已经进入了太位信息时代。现代的信息存储方式多种多样,以计算机系统存储为例,存储方式分为随机内存储、在线外存储、离线外存储和脱机存储。随机内存储器要求集成度高、数据存取速度快,因此一直以大规模集成的微电子技术为基础的半导体动态随机存储器(DRAM)为主,256兆位的随机动态存储器的晶体管超过2亿个。外存储大都采用磁记录方式,磁存储介质的主要形式为磁带、磁泡、软磁盘和硬磁盘。磁存储密度的提高主要依赖于磁介质材料的改进,相继采用了磁性氧化物(如g-Fe2O3、CrO2、金属磁粉等)、铁氧体系、超细磁性氧化物粉末、化学电镀钴镍合金或真空溅射蒸镀Co基合金连续磁性薄膜介质等材料,磁存储的信息存储量从而有了很大的提高。固体(闪)存储器(flash memory)是不挥发可擦写的存储器,是基于半导体二极管的集成电路,比较紧凑和坚固,可以在内存与外存间插入使用。记录磁头铁芯材料一般用饱和磁感大的软磁材料,如80Ni-20Fe、Co-Zr-Nb、Fe-Ta-C、45Ni-55Fe、Fe-Ni-N、Fe-Si、Fe-Si-Ni、67Co-10Ni-23Fe等。近年来发展起来的巨磁阻(GMR)材料,在一定的磁场下电阻急剧减小,一般减小幅度比通常磁性金属与合金的磁电阻数值约高10余倍。GMR一般由自由层/导电层/钉扎层/反强磁性层构成,其中自由层可为Ni-Fe、Ni-Fe/Co、Co-Fe等强磁体材料,在其两端安置有Co-Cr-Pt等永磁体薄膜,导电层为数nm的铜薄膜,钉扎层为数nm的软磁Co合金,磁化固定层用5~40nm的Ni-O、Ni-Mn、Mn-In、Fe-Cr-Pt、Cr-Mn-Pt、Fe-Mn等反强磁体,并加Ru/Co层的积层自由结构。采用GMR效应的读出磁头,将磁盘记录密度一下子提高了近二十倍,因此巨磁阻效应的研究对发展磁存储有着非常重要的意义。

声视领域内激光唱片和激光唱机的兴起,得益于光存储技术的巨大发展,光盘存贮是通过调制激光束以光点的形式把信息编码记录在光学圆盘镀膜介质中。与磁存储技术相比,光盘存储技术具有存储容量大、存储寿命长;非接触式读/写和擦,光头不会磨损或划伤盘面,因此光盘系统可靠,可以自由更换;经多次读写载噪比(CNR)不降低。光盘存储技术经过CD(Compact Disk)、DVD(Digital Versatile Disk)发展到将来的高密度DVD(HD-DVD)、超高密度DVD(SHD-DVD)过程中,存储介质材料是关键,一次写入的光盘材料以烧蚀型(Tc合金薄膜,Se-Tc非晶薄膜等)和相变型(Te-Ge-Sb非晶薄膜、AgInTeSb系薄膜、掺杂的ZnO薄膜、推拉型偶氮染料、亚酞菁染料)为主,可擦重写光盘材料以磁光型(GdCo、TeFe非晶薄膜、BiMnSiAl薄膜、稀土掺杂的石榴石系YIG、Co-Pt多层薄膜)为主。光盘存储的密度取决于激光管的波长,DVD盘使用的InGaAlP红色激光管(波长650nm)时,直径12cm的盘每面存储为4.7千兆字节(GB),而使用ZnSe(波长515nm)可达12GB,将来采用GaN激光管(波长410nm),存储密度可达18GB。要读写光盘里的信息,必须采用高功率半导体激光器,所用的激光二极管采用化合物半导体GaAs、GaN等材料。

激光器除了在光盘存储应用之外,在光通信中的作用也是众所周知的。由于有了低阈值、低功耗、长寿命及快响应的半导体激光器,使光纤通信成为现实。光通讯就是由电信号通过半导体激光器变为光信号,而后通过光导纤维作长距离传输,最后再由光信号变为电信号为人接收。光纤所传输的光信号是由激光器发出的,常用的为半导体激光器,所用材料为GaAs、GaAlAs、GaInAsP、InGaAlP、GaSb等。在接受端所用的光探测器也为半导体材料。缺少光导纤维,光通信也只能是“纸上谈兵”。低损耗的光学纤维是光纤通信的关键材料,目前所用的光学纤维传感材料主要有低损耗石英玻璃、氟化物玻璃和Ga2S3为基础的硫化物玻璃和塑料光纤等,1公斤石英为主的光纤可代替成吨的铜铝电缆。光纤通信的出现是信息传输的一场革命,信息容量大、重量轻、占用空间小、抗电磁干扰、串话少、保密性强,是光纤通信的优点。光纤通信的高速发展为现代信息高速公路的建设和开通起到了至关重要的作用。

除了有线传播外,信息的传播还采用无线的方式。在无线传播中最引人注目的发展是移动电话。移动电话的用户愈多,所使用的频率愈高,现在正向千兆周的频率过渡,电话机的微波发射与接收亦是靠半导体晶体管来实现,其中部分Si晶体管正在被GaAs晶体管所取代。在手机中广泛采用的高频声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)及体声波BAW(Bulk Surface Acoustic Wave)器件中的压电材料为a-SiO2、LiNbO3、LiTaO3、Li2B4O7、KNbO3、La3Ga5SiO14等压电晶体及ZnO/Al2O3和SiO2/ZnO/DLC/Si等高声速薄膜材料,采用的微波介质陶瓷材料则集中在BaO-TiO2体系、BaO-Ln2O3-TiO2(Ln=La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd)体系、复合钙钛矿A(B1/3B¢2/3)O3体系(A=Ba,Sr;B=Mg,Zn,Co,Ni,Mn;B¢=Nb,Ta)和铅基复合钙钛矿体系等材料上。

随着智能化仪器仪表对高精度热敏器件需求的日益扩大,以及手持电话、掌上电脑PDA、笔记本电脑和其它便携式信息及通信设备的迅速普及,进一步带动了温度传感器和热敏电阻的大量需求,负温度系数(NTC)热敏电阻是由Co、Mn、Ni、Cu、Fe、Al等金属氧化物混合烧结而成,其阻值随温度的升高呈指数型下降,阻值-温度系数一般在百分之几,这一卓越的灵敏度使其能够探测极小的温度变化。正温度系数(PTC)热敏电阻一般都是由BaTiO3材料添加少量的稀土元素经高温烧结的敏感陶瓷制成的,这种材料在温度上升到居里温度点时,其阻值会以指数形式陡然增加,通常阻值-温度变化率在20~40%之间。前者大量使用在镍镉、镍氢及锂电池的快速充电、液晶显示器(LCD)图像对比度调节、蜂窝式电话和移动通信系统中大量采用使用的温度补偿型晶体振荡器等中,来进行温度补偿,以保证器件性能稳定;此外还在计算机中的微电机、照相机镜头聚焦电机、打印机的打印头、软盘的伺服控制器和袖珍播放机的驱动器等中,发现它的身影。后者可以用于过流保护、发热器、彩电和监视器的消磁、袖珍压缩机电机的启动延迟、防止笔记本电脑常效应管(FET)的热击穿等。

为了保证信息运行的通畅,还有许多材料在默默地作着贡献,例如,用于制作绿色电池的材料有:镍氢电池的正、负极材料用MH合金和Ni(OH)2材料、锂离子电池的正、负极用LiCoO2、LiMn2O4和MCMB碳材料等电极材料;移动电话、PC机以及诸如数码相机、MD播放机/录音机、DVD设备和游戏机等数字音/视频设备等中钽电容器所用材料;现代永磁材料Fe14Nd2B在制造永磁电极、磁性轴承、耳机及微波装置等方面有十分重要的用途;印刷电路板(PCB)及超薄高、低介电损耗的新型覆铜板(CCL)用材料;环氧模塑料、氧化铝和氮化铝陶瓷是半导体和集成电路芯片的封装材料;集成电路用关键结构与工艺辅助材料(高纯试剂、特种气体、塑封料、引线框架材料等),不一而足,这些在浩瀚的材料世界里星光灿烂的新材料,正在数字生活里发挥着不可或缺的作用。

随着科技的发展,大规模集成电路将迎来深亚微米(0.1mm)硅微电子技术时代,小于0.1mm的线条就属于纳米范畴,它的线宽就已与电子的德布罗意数相近,电子在器件内部的输运散射也将呈现量子化特性,因而器件的设计将面临一系列来自器件工作原理和工艺技术的棘手问题,导致常说的硅微电子技术的“极限”。由于光子的速度比电子速度快得多,光的频率比无线电的频率高得多,为提高传输速度和载波密度,信息的载体由电子到光子是必然趋势。目前已经发展了许多种激光晶体和光电子材料,如Nd:YAG、Nd:YLF、Ho:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YLF、Ti:Al2O3、YVO4、Nd:YVO4、Ti:Al2O3、KDP、KTP、BBO、BGO、LBO、LiNbO3、K(Ta,Nb)O3、Fe:KnBO3、BaTiO3、LAP等,所有这些材料将为以光通信、光存储、光电显示为主的光电子技术产业作出贡献。随着信息材料由电子材料、微电子材料、光电子材料向光子材料发展,将会出现单电子存储器、纳米芯片、量子计算机、全光数字计算机、超导电脑、化学电脑、生物电脑和神经电脑等纳米电脑,将会极大地影响着人类的数字生活。

本世纪以来,以数字化通信(Digital Communication)、数字化交换(Digital Switching)、数字化处理(Digital Processing)技术为主的数字化生活(Digital Life)正在向我们招手,一步步地向我们走来——清晨,MP3音箱播放出悦耳的晨曲,催我们按时起床;上班途中,打开随身携带的笔记本电脑,进行新一天的工作安排;上班以后,通过互联网召开网络会议、开展远程教学和实时办公;在下班之前,我们远程启动家里的空调和湿度调节器,保证家中室温适宜;下班途中,打开手机,悠然自在观看精彩的影视节目;进家门前,我们接收网上订购的货物;回到家中,和有线电视台进行互动,观看和下载喜欢的影视节目和歌曲,制作多媒体,也可进入社区互联网,上网浏览新闻了解天气……这一切看上去是不是很奇妙?似乎遥不可及。其实它正在和将要发生在我们身边,随着新一代家用电脑和互联网的出现,如此美好数字生活将成为现实。当享受数字生活的同时,饮水思源,请不要忘记为此作出巨大贡献的功臣——绚丽多彩的新材料世界!

2021年一季度净利润增幅方面,100家半导体公司在净利润方面实现同比增长(包含同比增长、扭亏为盈、亏损收窄),占比达到83.33%。

其中,净利增幅超过100%的半导体公司有54家,占比为45%;净利增幅在0~100%(含)的企业25家;

一季度净利润增幅超100%的半导体公司(上)

国内罕有的IDM龙头企业,集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试多个产业链于一身,这一模式在当前国内颇为稀缺,其系国内最大IDM集成电路企业。

其技术与产品已经成功覆盖了消费类产品的众多领域,在多个技术领域保持了国内领先的地位,如绿色电源芯片技术、MEMS传感器技术、LED照明和屏显技术、高压智能功率模块技术、第三代功率半导体器件技术、数字音视频技术等。

公司是国内领先的电源管理驱动类芯片设计企业之一,主营业务为电源管理驱动类芯片的研发与销售。目前产品主要包括LED照明驱动芯片、电机驱动芯片等电源管理驱动类芯片。其中主要产品为led照明驱动芯片,被誉为LED照明产品的心脏。

公司的电源芯片驱动类产品覆盖了下游所有的大型LED照明厂商,如飞利浦、欧普照明、雷士照明、阳光照明、三雄极光等,并于他们建立了长期的合作关系。

主营业务为单晶硅材材料、硅零部件、半导体级大尺寸硅片及其应用产品的研发、生产和销售。

公司研发的核心技术“热系统封闭技术”、“晶体生长稳态化控制技术”、“多段晶体电阻率区间控制技术”达到业内先进水平。

公司已掌握了包含8英寸半导体硅抛光片在内的半导体硅抛光片生产加工核心技术;大多数的技术指标和良率已经达到或基本接近业内一流大厂的水准;

国内少数能量产OLED检测设备的龙头设备公司;公司占据大市场份额,中段设备已经实现规模销售,前段设备部分产品实现销售,是行业内少数几家能够提供平板显示三大制程检测设备的公司;

OLED需要的检测设备更多,一般是LCD的1.5-2倍;客户为国内外大型平板显示商

主要从事集成电路专用测试设备的研发、生产和销售,是一家致力于提升我国集成电路专用测试技术水平、积极推动集成电路装备业升级的国家高新技术企业和软件企业。

公司掌握集成电路测试设备的相关核心技术,是国内为数不多的可以自主研发、生产集成电路测试设备的企业。

主营业务为微处理器芯片、智能视频芯片及整体解决方案的研发和销售及存储芯片和模拟芯片的研发和销售。

公司为集成电路设计企业,成立以来在嵌入式CPU、视频编解码、影像信号处理、神经网络处理器、AI算法等领域持续投入,形成自主创新的核心技术;

基于这些核心技术,公司推出了微处理器芯片和智能视频芯片两条产品线。公司自主创新的核心技术和产品突出的性价比优势,使公司的市场销售在近几年来一直保持了良好的发展势头。

高性能模拟及数模混合集成电路设计企业;主营业务为高性能模拟及数模混合集成电路的设计研发、封装、测试和销售,主要产品包括电源管理、LED控制及驱动、MOSFET以及各类ASIC等芯片,产品广泛应用于各类终端电子产品之中;

手机芯片在快充市场较竞争对手先发优势明显;推出业内集成MOS且通过PD3.0认证的PD控制器芯片;

国内最早从事高端靶材、特种稀土功能材料、高性能光电材料研究和生产的企业;有研稀土磁粉产品已形成多个系列高性能耐热磁粉产品牌号;

主营业务围绕北斗卫星导航应用的“元器件-终端-系统”产业链提供产品和服务,主要产品包括北斗卫星导航应用关键元器件、高性能集成电路、北斗卫星导航终端及北斗卫星导航定位应用系统;供应的北斗导航终端关键元器件;

主营业务微波器件、混合集成电路及相关组件、及复杂电磁环境下进行电子战的超宽带信号处理微系统的设计、开发、生产、销售与服务;通信天线、射频设备、整体解决方案的研发、生产和销售。

打印机兼容耗材处于全球细分行业的龙头地位;奔图激光打印机处于中国信息安全打印机领先地位;

利盟激光打印机处于全球中高端激光打印机领先地位;集打印复印整机设备、打印耗材、各种打印配件、打印管理服务于 一体的打印综合解决方案提供商;

主营业务包含研发设计、生产及销售集成电路产品打印机主控SoC芯片、打印机通用耗材芯片、物联网芯片等;

一家微电子材料的平台型高新技术企业,围绕泛半导体材料和新能源材料两个方向,主导产品包括光刻胶及配套材料,超净高纯试剂,锂电池材料和基础化工材料等,超大规模集成电路用超净高纯双氧水技术突破了国外技术垄断,产品品质可达到10ppt以下,满足SEMI制定的最高纯度等级,成功填补了国内空白。

聚焦用于集成电路、LED芯片等微观器件领域的等离子体刻蚀设备、深硅刻蚀设备和MOCVD设备等关键设备的研发、生产和销售;

中芯一直是公司核心客户;中微半导体为中芯绍兴IGBT模组生产线项目第二十六批——深硅蚀刻机招标项目中标候选人

民营惯导航电翘楚;公司主营惯性、卫星、组合导航产品的研产销,已经形成了“惯性导航+卫星导航+组合导航”全覆盖的自主研发生产能力;

2020年1月,拟收购C.N.S.Systems AB,一家专业通信、导航和监视系统解决方案提供商;

国内LED驱动芯片领先企业,产品主要包括LED显示驱动芯片、LED照明驱动芯片、电源管理芯片等,其中电源管理芯片曾获“深圳市 科技 进步奖”;

中国营收规模第二、世界第六、盈利能力国内最强的半导体封装测试公司;公司已经基本涵盖了高、中、低端主流封装技术产品;

持有美国FlipChip International,LLC公司100%股权,其进行WLCSP和Flip Chip以及Wafer Bumping等封装

高端电子元器件企业,主营业务为研发、生产及销售片式功率电感,产品广泛应用于移动通讯、消费电子、军工电子等领域;

射频元器件方面,公司拥有多个系列的不同磁导率和介电常数的原材料配方,能够充分满足下游客户个性化需求,电感目前已获客户认可并批量生产;

国内军用钽电容器生产领域的龙头企业;公司主营钽电容器等军用电子元器件的研发、生产、销售及相关服务;

公司具备军工行业准入的多种主体资质及业务认证,拥有国防三级计量技术机构资质,实验中心通过了CNAS和DILAC能力认可,已成为大部分军工钽电容器用户的合格供应商;

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