意法半导体简介及详细资料

公司概况

意法公司销售收入在半导体工业第七大高速增长市场之间分布均衡(五大市场占2007年销售收入的百分比):通信(35%)，消费(17%)，计算机(16%)，汽车(16%)，工业(16%)。据最新的工业统计数据，意法半导体(STMicroelectronics)是全球第五大半导体厂商，在很多市场居世界领先水平。例如，意法半导体是世界第一大专用模拟晶片和电源转换晶片制造商，世界第一大工业半导体和机顶盒晶片供应商，而且在分立器件、手机相机模组和车用积体电路领域居世界前列。

产品阵容

以多媒体套用一体化和电源解决方案的市场领导者为目标，意法半导体拥有世界上最强大的产品阵容，既有智慧财产权含量较高的专用产品，也有多领域的创新产品，例如分立器件、高性能微控制器、安全型智慧卡晶片、微机电系统(MEMS)器件。

在移动多媒体、机顶盒和计算机外设等要求严格的套用领域，意法半导体是利用平台式设计方法开发复杂IC的开拓者，并不断对这种设计方法进行改进。意法半导体拥有比例均衡的产品组合，能够满足所有微电子用户的需求。全球战略客户的系统级晶片(SoC)项目均指定意法半导体为首选合作伙伴，同时公司还为本地企业提供全程支持,以满足本地客户对通用器件和解决方案的需求。

意法半导体已经公布了与英特尔和Francisco Partners合资成立一个独立的半导体公司的合作意向，名为Numonyx的新公司将主要提供消费电子和工业设备用非易失存储器解决方案。

研发制造

自创办以来，意法半导体在研发的投入上从未动摇过，被公认为半导体工业最具创新力的公司之一。制造工艺包括先进的CMOS逻辑(包括嵌入式存储器的衍生产品)、混合信号、模拟和功率制造工艺。在先进的CMOS领域，意法半导体将与IBM联盟合作开发下一代制造工艺，包括32nm 和 22nm CMOS工艺开发、设计实现技术和针对300mm晶圆制造的先进研究，此外，意法半导体和IBM还将利用位于法国Crolles的300mm生产设施开发高附加值的CMOS衍生系统级晶片技术。

意法半导体在全球拥有一个巨大的晶圆前后工序制造网路(前工序指晶圆制造，后工序指组装、封装和测试)。公司正在向轻资金密集型制造战略转型，最近公布了关闭一些旧工厂的停产计画。目前，意法半导体的主要晶圆制造厂位于义大利的Agrate Brianza和Catania、法国的Crolles、Rousset和Tours、美国的Phoenix和Carrollton，以及新加坡。位于中国、马来西亚、马尔它、摩洛哥和新加坡的高效封装测试厂为这些先进的晶圆厂提供强有力的后工序保障。

跨国联盟

意法半导体发展了一个全球战略联盟网路，包括与大客户合作开发产品、与客户和半导体厂商合作开发技术、与主要供应商合作开发设备和CAD工具。此外，意法半导体还与全球名牌大学和知名研究机构开展各种研究项目，通过学术研究促进工业研发活动。意法半导体还担纲MEDEA+等欧洲先进技术研究计画和ENIAC(欧洲纳米技术计画顾问委员会)等工业计画。

卓越原则

意法半导体是世界上第一个认识到环境责任重要性的国际半导体公司之一，早在上个世纪90年代就开始公司的环境责任行动，此后，在环境问题上取得了令人嘱目的进步，例如，在1994年到2006年间，每个生产单位能耗降低47%，CO2排放量降低61%。此外，意法半导体远远走在了现有法规的前面，在制造过程中几乎完全摒弃了铅、镉和汞等有害物质。自1991年起，在质量、公司管理、社会问题和环保等公司责任方面，各地区公司因为表现卓越而荣获100多项奖励。

基本情况

意法半导体(ST)公司成立于1987年，是义大利SGS半导体公司和法国汤姆逊半导体合并后的新企业，从成立之初至今，ST的增长速度超过了半导体工业的整体增长速度。自1999年起，ST始终是世界十大半导体公司之一。

整个集团共有员工近50,000名，拥有16个先进的研发机构、39个设计和套用中心、15主要制造厂，并在36个国家设有78个销售办事处。

公司总部设在瑞士日内瓦，同时也是欧洲区以及新兴市场的总部公司的美国总部设在德克萨斯州达拉斯市的卡罗顿亚太区总部设在新加坡日本的业务则以东京为总部大中国区总部设在上海，负责香港、大陆和台湾三个地区的业务。

自1994年12月8日首次完成公开发行股票以来，意法半导体已经在纽约证券交易所(交易代码:STM)和泛欧巴黎证券交易所挂牌上市，1998年6月，又在义大利米兰证券交易所上市。意法半导体拥有近9亿股公开发行股票，其中约71.1%的股票是在各证券交易所公开交易的。另外有27.5%的股票由意法半导体控股II B.V.有限公司持有，其股东为Finmeanica和CDP组成的义大利Finmeanica财团和Areva及法国电信组成的法国财团剩余1.4%的库藏股由意法半导体公司持有。

产品范围

意法半导体是业内半导体产品线最广的厂商之一，从分立二极体与电晶体到复杂的片上系统(SoC)器件，再到包括参考设计、套用软体、制造工具与规范的完整的平台解决方案，其主要产品类型有3000多种，。意法半导体是各工业领域的主要供应商，拥有多种的先进技术、智慧财产权(IP)资源与世界级制造工艺。

半导体产品大体上可分为两类:专用产品和标准产品。专用产品从半导体制造商以及用户和第三方整合了数量众多的专有IP，这些使其区别于市场上的其他产品，例如:

片上系统(SoC)产品

定制与半定制电路

专用标准产品(ASSP)，如:无线套用处理器、机顶盒晶片及汽车IC

微控制器

智慧卡IC

专用存储器

专用分立器件 (ASD™)

一旦客户在套用中使用了专用产品，如果不修改硬体和软体设计，通常就不能进行产品替换。

相反，标准产品是实现某种特定的常用功能的器件，这些器件一般由几个供应商提供。通常，制造商推出的标准产品可以被其他制造商的同类产品所取代，供应商间的差别主要在于成本与客户服务上。然而，一旦套用设计被冻结，标准器件在性能最佳化方面也将变成唯一的器件。

标准产品包括:

分立器件，如电晶体、二极体与晶闸管

功率电晶体，如MOSFET、Bipolar与IGBT

模拟电路构建模组，如运算放大器、比较器、稳压器与电压参考电路

标准逻辑功能与接口

众多存储器产品，如标准或串列NOR快闪记忆体、NAND快闪记忆体、EPROM/EEPROM及非易失性RAM

射频分立器件及IC

自成立时起，意法半导体就成功的实现了在市场开拓方面的平衡，将差分化的专用产品(这些产品通常不容易受到市场周期的影响)与传统的标准产品(这些产品要求较少的研发投入和生产资本密集度)相结合。意法半导体多样化的产品系列避免了对通用产品或专用产品的过分依赖。

专用产品 片上系统

专用产品系列中最复杂的就是SoC器件，该器件在单个晶片上集成了完整的系统。很多情况下，这意味着整个套用的集成，也就是说器件整合了除存储器、无源元件与显示器等无需集成的组件外的所有电子电路。然而，通常在单个晶片上集成整个系统并不是最经济的解决方案，因此SoC这个术语也用于指那些集成了大部分系统的晶片。

SoC技术拓展了半导体行业在一个给定的矽片上持续增加电晶体数目的能力。然而它还涉及很多其他因素，包括系统知识、软体技术、架构创新、设计、验证、调试及测试方法。随着半导体器件在电子设备中的普及其对设备性能、价格、开发时间的重要影响，设备制造商对半导体供应商提供的完整平台解决方案的依赖性也越来越高。如今，半导体供应商可以给客户提供完整地解决方案，包括定制的参考设计、完整的软体包(含有底层驱动软体、嵌入式作业系统以及中间件和套用软体)。

很多SoC产品仅使用CMOS技术就可以制造，但完整的SoC制造技术要求具有将COMS、bipolar、非易失性存储器、功率DMOS及微型机电系统(MEMS)之类的基础技术整合到面向系统的技术(这种技术整合了两种或更多的基础技术)中的能力。多年来，意法半导体一直是开发与采用这些面向系统的技术领域的全球领导者。

SoC器件通常集成一个或多个处理器核，意法半导体为客户提供了世界上最广泛的处理器核，包括主要用于无线与汽车套用的基于32位高性能ARM和基于PowerPC的产品。意法半导体在处理器核技术上采用了开放式方法，旨在为客户提供最合适的处理器核，而不论它是专利的、联合开发的或是第三方授权的。

定制晶片

定制与半定制IC都是为特殊用户而设计的，但它们的设计与制造方法不同。半定制晶片是包含了一系列电路单元的通用晶片，这些单元能够以多种方式实现互连，从而实现想要的功能。而定制晶片则是从零开始设计的。一些客户更喜欢设计自己的晶片(特别是包含了珍贵的IP的晶片)并根据成本、产能分配及先前的业务关系等标准，与晶片制造商达成契约制造。而其他一些客户则更愿意与晶片供应商就设计和制造这两方面达成协定，因此，这儿存在着一系列中间关系。

意法半导体提供了一系列利用世界级制造机械、无与伦比的半导体工艺技术，广泛而深入的IP系列和领先的设计方法的定制与半定制服务。这些成功案例就是采用复杂晶片，推动了大型项目，如美国的XM数字卫星无线电服务与为电子行业的各部分的战略伙伴而提供的领先的解决方案。

标准产品

ASSP(专用标准产品)是为在特殊套用中使用而设计的积体电路。实例包括数字机顶盒晶片、CMOS成像IC、电机控制电路与无线套用处理器。与为单用户的特殊套用而设计的定制IC不同，ASSP是为众多用户通用的特殊套用而设计的。很多ASSP是在与特殊客户密切合作的基础上开发出来的，即使相应器件可能会在开放市场上提供。通过以这种方式与客户合作，意法半导体能够保证其开发的产品与技术能很好地与不断变化的工业需求相匹配。

意法半导体的产品系列包括多种类型的ASSP，针对无线通信与网路、数字消费类、电脑外设、汽车、工业及智慧卡等的主要增长业务套用进行了最佳化。通过提供晶片组与完整的参考平台、公认的软体包与开发套件，公司使得其用户能够快速而经济地开发并区分其产品。

意法半导体的ASSP，包括从移动成像到多媒体处理，再到功率管理和手提式及网路连线的各种套用，满足了广泛的电信套用需求。公司提供了用于广泛的数字消费类套用的元器件，特别侧重于机顶盒、数位电视与数位相机等套用。

在电脑外设领域中，意法半导体主要集中在数据存储、列印、可视显示器、PC主机板的电源管理和电源。广泛的意法半导体ASSP功率/复杂的数字汽车系统，如引擎控制、汽车安全设备、车门模组及车载信息娱乐系统等。公司还提供用于工厂自动化系统的工业IC、用于照明和电池充电的晶片、或电源器件以及用于高级智慧卡套用的晶片。

微控制器

意法半导体的微控制器提供了各类套用，从那些首先要求成本最低的套用到需要强大实时性能与高级语言支持的套用。意法半导体全面的产品系列包含了功能强大的带有标准通信接口的8位通用快闪记忆体微控制器，如USB、CAN、LIN、UART、I2C及SPI专用8位微控制器，可用于无刷电机控制、低噪音模组转换器(LNB)、智慧卡读卡器、USB接口的快闪记忆体驱动器和可程式系统存储器(PSM)，此存储器在单晶片上集成了存储器，微控制器和可程式逻辑单元16位的工控标准器件和基于高性能32位ARM核心的快闪记忆体控制器，具有卓越的低功耗特性及高级通信外设(包括乙太网、USB与CAN)。

意法半导体专用的微控制器解决方案有助于加速新兴的低数据率无线网路的开发，如实时定位系统(RTLS)和用于远程监视和控制的Zigbee平台。

安全IC

意法半导体为智慧卡和委托产品套用领域，连同广泛的高速产品系列、可共同使用的片上作业系统(SoC)解决方案提供了完整的安全微控制器和存储器。产品用于各类智慧卡套用，从最简单的电话卡到要求最严格的SIM与Pay-TV卡。安全性一直是意法半导体的一项专门技术，多项正式的安全证明、标准化的成员资格、意法半导体安全IC产品在许多领域(包括银行、IT安全性、电子 *** 、公共运输和移动通信)的成功套用有力的证明了这一点。

存储器

虽然众多存储器产品是标准产品，但意法半导体利用其在非易失性存储器技术领域的优势及其与领先用户间稳固的关系，开发出了各种专用EEPROM和快闪记忆体。与领先的OEM合作，意法半导体开发出了针对手机、汽车引擎控制、PC BIOS、机顶盒与硬碟驱动器之类的特殊套用进行了最佳化的创新产品。

分立器件

ASD产品基于在矽片晶元的顶端与底端实现的垂直或水平双极型架构。ASD™ 技术使得意法半导体能为市场带来各类产品，这些产品可处理大双向电流、保持高电压，并可在单晶片中集成各类分立元件。ASD技术是通用保护元器件、ESD保护器件、EMI滤波器与具有内置过压保护的AC开关的理想解决方案。随着近期工艺的升级，ASD技术允许在单晶片中集成多个分立元器件和无源元件(如电阻、电容与电感)，从而产生了IPAD系列(集成无源与有源器件)。ASD的主要套用领域是无线与固定线路通信、家电、PC及外设。

标准产品 存储器

意法半导体为领先套用提供了业内最广泛的存储解决方案。意法半导体是非易失性存储器的主要供应商，包括:NOR和NAND 快闪记忆体。

快闪记忆体组合了高密度及电可擦除性。它们普遍套用于各种数字套用中，如手机、数位相机、数位电视、机顶盒、汽车引擎控制等，这些套用需要在系统可程式能力，并需要即使在没有电源的情况下也要保留数据。

作为全球三大NOR快闪记忆体供应商之一，意法半导体提供了两种主要的快闪记忆体类型:NOR及NAND。NOR快闪记忆体架构提供快速读取性能，是在手机和其他电子器件中进行代码存储与直接片上执行的理想之选。然而，对于高密度数据存储，NAND快闪记忆体较高的密度与编程吞吐量使其成为首选。

意法半导体的非易失性存储器系列还包括EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)、串列快闪记忆体及非易失性RAM(Random Aess Memory)。

其他意法半导体的存储器产品还包含多种RFID IC。跟所有标准器件一样，成本与客户服务是供应商之间的主要差异，而意法半导体正在全力最佳化这两个方面。

对于既需要快速代码读取又需要高密度的套用(如现今的多功能手机)，意法半导体同样提供了先进的多晶片解决方案，在单晶片封装内组合了不同类型的存储器。

智慧型电源

意法半导体的电源器件满足了对于整合了信号处理部件(模拟和/或数字)和电动促动器的功率解决方案不断增长的需求。此设计能力不仅提供了独有的经济优势，同时还提供了稳定性、电磁性能和降低空音与重量等方面的提高。智慧型电源作为一个专业术语，包括了多种横向及纵向的技术，这些技术在在汽车市场尤其起到至关重要的作用。

VIPower(垂直智慧型电源)是众多专利智慧型电源技术的总称，这些技术中，分立的电源结构现模拟和数字控制及诊断电流相结合，从而使器件可以将分立技术的强劲性与电流的控制与诊断功能相结合。意法半导体的BCD(双极-CMOS-DMOS)生产技术结合了双极、CMOS和DMOS工艺，允许集成越来越多的系统基本功能，如电压稳压器、通信接口以及一个单独元件中的多负载驱动器。

标准器件

意法半导体标准线性器件与逻辑IC由广泛的知名标准器件及针对高度集成、空间有限的套用创新的专用器件组成。产品范围包括逻辑功能、接口、运算放大器、比较器、低功耗音频放大器、通信电路(高速模拟、红外线与RF)、功率管理器件、稳压器与参考电路、微处理器复位与监视器、模拟与数字开关、功率开关、VFD驱动器及高亮度LED驱动器。

分立器件

意法半导体是世界领先的分立功率器件供应商之一，产品范围包含MOSFET (包括运用创新的MDmeshTM第二代技术的器件)、双极电晶体、IGBT、肖特基与超快速恢复双极工艺二极体、三端双向可控矽开关及保护器件。此外，意法半导体的专利IPAD(集成有源和无源器件)技术，允许在单个晶片中整合多个有源和无源元件

RF

意法半导体的RF产品包括可以用于ISM(工业科学和医疗)，手机基站之类的套用中的功率RF电晶体。

实时时钟

意法半导体提供了完整的低功耗实时时钟(RTC)产品线，从输入级产品到具有微处理器监视功能、SRAM、非易失性特性与通用减少检测管教实现的高级数据保护的高端RTC。嵌入式软体校准每个月的精度误差仅为2秒。

所获荣誉

2020年5月13日，意法半导体名列2020福布斯全球企业2000强榜第822位。

ST联盟

战略联盟和行业合作

自诞生以来，意法半导体公司成了创建战略联盟的先锋，并在发展与用户、供应商、竞争者、大学、研究机构和欧洲研究项目的关系方面得到了大家的公认。战略联盟和行业合作对于在半导体行业中取得成功变得越来越重要。

意法半导体公司(STMicroelectronics)已经跟包括Alcatel、Bosch、Hewlett-Packard、Marelli、Nokia、Nortel、Pioneer、Seagate、Siemens VDO、Thomson和Western Digital等在内的用户成立了几个战略联盟。用户联盟为意法半导体公司提供了宝贵的系统和套用专长及进入主要产品市场的途径，同时使得它的用户能够分担产品开发的风险，而且还能使用意法半导体公司的工艺技术和生产设施。意法半导体公司现在正在积极利用其丰富的经验和技术来扩展其面向美国、欧洲和亚洲顶级OEM的用户联盟的数量。

在继续在激烈的销售竞争中打拼的同时，与其它半导体行业制造商合作使得意法半导体公司能够增加其对高昂的研究与开发以及生产资源的投资，从而实现技术开发的互利互惠。

意法半导体公司是无线技术领域内的常胜将军，2002年与Texas Instruments合作制定和推广无线套用处理器接口的开放式标准。该创新现已扩展到更多公司，并且以MIPI联盟(创始成员有ST、ARM、Nokia和Texas Instruments)著称。联盟现在拥有超过92个成员，合作成为移动行业的领袖，其目标是制定和推广移动套用处理器接口的开放式标准。

非易失性存储器是意法半导体公司的一个战略产品部门。在该领域中，意法半导体公司已与Hynix合作了4年，联合开发了NAND Flash技术和产品。至于NOR Flash，其已与Intel就无线套用的产品指标结成了战略联盟。并且，最近与Freescale签订协定，联合开发带有嵌入式Flash(采用90nm技术制造而成)的微控制器。

意法半导体公司还与领先供应商制定了联合开发计画，如Air Liquide、Applied Materials、ASM Lithography、Axalto、Canon、Hewlett-Packard、KLA-Tencor、LAM Research、MEMC、Teradyne和Wacker，以及包括Cadence、CoWare和Synopsys在内的领先电子设计自动化(EDA)工具制造商。

至于联合研究与开发计画，意法半导体公司还加入了欧洲合作研究计画，如MEDEA+(微电子技术及其套用领域高级合作研究与开发的泛欧计画)和ITEA2(欧洲发展信息技术，软体密集型系统和服务的高级竞争前研究与开发的战略性泛欧计画)。意法半导体公司还在最近创办的欧洲技术平台 - ENIAC(欧洲纳电子行动顾问委员会，用于提供纳电子的战略性研究方向)和ARTEMIS(嵌入式智慧型与系统先进研究和技术，其作用跟嵌入式系统类似) - 中起主导作用。并且，意法半导体公司还与全球众多大学合作，包括欧洲、美国和中国的大学以及主要研究机构，如CEA-Leti和IMEC。

至于制造业，1998年意法半导体公司在中国深圳建立了其后端组装和测试厂。该厂属于意法半导体公司与深圳市海达克实业有限公司(SHIC)共同组建的合资公司性质。2004年，意法半导体公司与Hynix签署并发表了合资协定，在中国无锡建立前端存储器制造厂。合资公司是公司间NAND Flash工艺/产品联合开发关系的延伸，拥有拟于2006年底投入生产的200-mm晶圆生产线和拟于2007年投入生产的300-mm晶圆生产线。

ST大学 大学简介

以管理和现场培训需求为基准，ST大学开发并部署了在企业范围内进行的战略型培训项目。ST大学与ST的各个培训机构密切合作，推出了用于满足ST和ST大学不断变化的培训需求的培训项目课程。

在ST大学培训目录中，只有一个培训项目是同时面向ST员工和外部工程师的。该技术课程的主要目的是发展微电子制造管理领域中的技术专长。

这个独特的项目是由意法半导体公司和法国2家知名工学院 - "L'Ecole Nationale Supérieure des Mines" de Saint-Etienne 与 "l'Ecole Centrale" Marseille - 合作推出的。它为在当今要求严苛的微电子行业中起着重要作用的工程师提供技术和管理技能。为了跟上微电子行业领先技术的步伐，ST大学每年都会在业内专家、学者和研究员的支持下对整个项目进行改进。ST大学发展并改善了理论课程与套用之间的关系，以及ST业内专家和ST供应商的参与。

课程

该项目分为2个主要部分:

第1部分:着重介绍下列3个领域的基础知识和套用课程:

器件和技术:物理特征工具和制造工艺步骤。

积体电路的开发:设计工具、测试和后端 *** 作。

生产和管理工具:生产设备管理、生产技术、可靠性和质量系统。

第2部分:为期6个月的公司(主要是在ST)实习，着重学习和项目有关的特定科目。

中国联合

意法半导体(STMicroelectronics，简称ST)与中国第一汽车股份有限公司(一汽，FAW)宣布在汽车电子技术领域进行合作，同时在一汽技术中心成立一汽-意法半导体汽车电子联合实验室。联合实验室将面向先进的汽车电子技术方案，研发范围包括动力总成、底盘、安全系统、车身、汽车信息娱乐系统、新能源技术等。一汽将在其先进的汽车电子研发平台内引入意法半导体的微控制器(MCU)、专用标准产品(ASSP)和智慧型驱动晶片。

联合实验室的主要研发方向是先进的汽车电子套用。借助意法半导体的汽车电子研发经验、技术优势、产品(如意法半导体的PowerPC系列32位微控制器和发动机管理系统高集成晶片)、原型设计和技术支持，联合实验室将推动双方在汽车电子技术方面的合作研发，例如，ECU(发动机控制单元)、TCU(变速器控制单元)和EPS(电动助力转向系统)，这些研发成果将增强一汽下一代汽车的市场竞争力。

一汽集团副总工程师兼技术中心主任李骏表示:"中国汽车销售量连续三年居全球首位，随着消费者对汽车安全性和舒适度越来越关注，汽车电子市场也在高速增长，中国是一个巨大的汽车半导体市场。一汽与意法半导体建立联合实验室，有助于推动双方的深入合作，提升一汽汽车电子的核心竞争力，促进汽车电子产品的自主创新能力。"

意法半导体大中国与南亚区汽车产品部市场与套用经理Edoardo Merli表示:"我们非常高兴能够与中国领先的汽车OEM厂商一汽合作。意法半导体作为2011年中国排名第一[1]、全球第三[2]的汽车晶片供应商，在动力总成、车身、安全、信息娱乐和车载多媒体方面具有很大的优势，这种优势得到了中国汽车厂商的认可。我们相信，双方的合作也将加强意法半导体在中国汽车电子业的领先地位。"

简介

半导体器件(semiconductor device)通常，利用不同的半导体材料、采用不同的工艺和几何结构，已研制出种类繁多、功能用途各异的多种晶体二极体，晶体二极体的频率覆盖范围可从低频、高频、微波、毫米波、红外直至光波。三端器件一 般是有源器件，典型代表是各种电晶体(又称晶体三极体)。电晶体又可以分为双极型电晶体和场效应电晶体两 类。根据用途的不同，电晶体可分为功率电晶体微波电晶体和低噪声电晶体。除了作为放大、振荡、开关用的 一般电晶体外，还有一些特殊用途的电晶体，如光电晶体、磁敏电晶体，场效应感测器等。这些器件既能把一些 环境因素的信息转换为电信号，又有一般电晶体的放大作用得到较大的输出信号。此外，还有一些特殊器件，如单结电晶体可用于产生锯齿波，可控矽可用于各种大电流的控制电路，电荷耦合器件可用作摄橡器件或信息存 储器件等。在通信和雷达等军事装备中，主要靠高灵敏度、低噪声的半导体接收器件接收微弱信号。随着微波 通信技术的迅速发展，微波半导件低噪声器件发展很快，工作频率不断提高，而噪声系数不断下降。微波半导体 器件由于性能优异、体积小、重量轻和功耗低等特性，在防空反导、电子战、C(U3)I等系统中已得到广泛的套用 。

分类 晶体二极体

晶体二极体的基本结构是由一块 P型半导体和一块N型半导体结合在一起形成一个 PN结。在PN结的交界面处，由于P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子要相互向对方扩散而形成一个具有空间电荷的偶极层。这偶极层阻止了空穴和电子的继续扩散而使PN结达到平衡状态。当PN结的P端(P型半导体那边)接电源的正极而另一端接负极时，空穴和电子都向偶极层流动而使偶极层变薄，电流很快上升。如果把电源的方向反过来接，则空穴和电子都背离偶极层流动而使偶极层变厚，同时电流被限制在一个很小的饱和值内(称反向饱和电流)。因此，PN结具有单向导电性。此外，PN结的偶极层还起一个电容的作用，这电容随着外加电压的变化而变化。在偶极层内部电场很强。当外加反向电压达到一定阈值时，偶极层内部会发生雪崩击穿而使电流突然增加几个数量级。利用PN结的这些特性在各种套用领域内制成的二极体有:整流二极体、检波二极体、变频二极体、变容二极体、开关二极体、稳压二极体(曾讷二极体)、崩越二极体(碰撞雪崩渡越二极体)和俘越二极体(俘获电浆雪崩渡越时间二极体)等。此外，还有利用PN结特殊效应的隧道二极体，以及没有PN结的肖脱基二极体和耿氏二极体等。

双极型电晶体

它是由两个PN结构成，其中一个PN结称为发射结，另一个称为集电结。两个结之间的一薄层半导体材料称为基区。接在发射结一端和集电结一端的两个电极分别称为发射极和集电极。接在基区上的电极称为基极。在套用时，发射结处于正向偏置，集电极处于反向偏置。通过发射结的电流使大量的少数载流子注入到基区里，这些少数载流子靠扩散迁移到集电结而形成集电极电流，只有极少量的少数载流子在基区内复合而形成基极电流。集电极电流与基极电流之比称为共发射极电流放大系数?。在共发射极电路中，微小的基极电流变化可以控制很大的集电极电流变化，这就是双极型电晶体的电流放大效应。双极型电晶体可分为NPN型和PNP型两类。

场效应电晶体

它依靠一块薄层半导体受横向电场影响而改变其电阻(简称场效应)，使具有放大信号的功能。这薄层半导体的两端接两个电极称为源和漏。控制横向电场的电极称为栅。

根据栅的结构,场效应电晶体可以分为三种:

①结型场效应管(用PN结构成栅极)

②MOS场效应管(用金属-氧化物-半导体构成栅极,见金属-绝缘体-半导体系统)

③MES场效应管(用金属与半导体接触构成栅极)其中MOS场效应管使用最广泛。尤其在大规模积体电路的发展中,MOS大规模积体电路具有特殊的优越性。MES场效应管一般用在GaAs微波电晶体上。

在MOS器件的基础上,又发展出一种电荷耦合器件 (CCD)，它是以半导体表面附近存储的电荷作为信息，控制表面附近的势阱使电荷在表面附近向某一方向转移。这种器件通常可以用作延迟线和存储器等配上光电二极体列阵，可用作摄像管。

命名方法

中国半导体器件型号命名方法

半导体器件型号由五部分(场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN型管、雷射器件的型号命名只有第三、四、五部分)组成。五个部分意义如下:

第一部分:用数字表示半导体器件有效电极数目。2-二极体、3-三极体

第二部分:用汉语拼音字母表示半导体器件的材料和极性。表示二极体时:A-N型锗材料、B-P型锗材料、C-N型矽材料、D-P型矽材料。表示三极体时:A-PNP型锗材料、B-NPN型锗材料、C-PNP型矽材料、D-NPN型矽材料。

第三部分:用汉语拼音字母表示半导体器件的类型。P-普通管、V-微波管、W-稳压管、C-参量管、Z-整流管、L-整流堆、S-隧道管、N-阻尼管、U-光电器件、K-开关管、X-低频小功率管(F<3MHz,Pc3MHz,Pc<1W)、D-低频大功率管(f1W)、A-高频大功率管(f>3MHz,Pc>1W)、T-半导体晶闸管(可控整流器)、Y-体效应器件、B-雪崩管、J-阶跃恢复管、CS-场效应管、BT-半导体特殊器件、FH-复合管、PIN-PIN型管、JG-雷射器件。

第四部分:用数字表示序号

第五部分:用汉语拼音字母表示规格号

例如:3DG18表示NPN型矽材料高频三极体

日本半导体分立器件型号命名方法

日本生产的半导体分立器件，由五至七部分组成。通常只用到前五个部分，其各部分的符号意义如下:

第一部分:用数字表示器件有效电极数目或类型。0-光电(即光敏)二极体三极体及上述器件的组合管、1-二极体、2三极或具有两个pn结的其他器件、3-具有四个有效电极或具有三个pn结的其他器件、┄┄依此类推。

第二部分:日本电子工业协会JEIA注册标志。S-表示已在日本电子工业协会JEIA注册登记的半导体分立器件。

第三部分:用字母表示器件使用材料极性和类型。A-PNP型高频管、B-PNP型低频管、C-NPN型高频管、D-NPN型低频管、F-P控制极可控矽、G-N控制极可控矽、H-N基极单结电晶体、J-P沟道场效应管、K-N 沟道场效应管、M-双向可控矽。

第四部分:用数字表示在日本电子工业协会JEIA登记的顺序号。两位以上的整数-从"11"开始，表示在日本电子工业协会JEIA登记的顺序号不同公司的性能相同的器件可以使用同一顺序号数字越大，越是产品。

第五部分: 用字母表示同一型号的改进型产品标志。A、B、C、D、E、F表示这一器件是原型号产品的改进产品。

美国半导体分立器件型号命名方法

美国电晶体或其他半导体器件的命名法较混乱。美国电子工业协会半导体分立器件命名方法如下:

第一部分:用符号表示器件用途的类型。JAN-军级、JANTX-特军级、JANTXV-超特军级、JANS-宇航级、(无)-非军用品。

第二部分:用数字表示pn结数目。1-二极体、2=三极体、3-三个pn结器件、n-n个pn结器件。

第三部分:美国电子工业协会(EIA)注册标志。N-该器件已在美国电子工业协会(EIA)注册登记。

第四部分:美国电子工业协会登记顺序号。多位数字-该器件在美国电子工业协会登记的顺序号。

第五部分:用字母表示器件分档。A、B、C、D、┄┄-同一型号器件的不同档别。如:JAN2N3251A表示PNP矽高频小功率开关三极体，JAN-军级、2-三极体、N-EIA 注册标志、3251-EIA登记顺序号、A-2N3251A档。

国际电子联合会半导体器件型号命名方法

德国、法国、义大利、荷兰、比利时等欧洲国家以及匈牙利、罗马尼亚、南斯拉夫、波兰等东欧国家，大都采用国际电子联合会半导体分立器件型号命名方法。这种命名方法由四个基本部分组成，各部分的符号及意义如下:

第一部分:用字母表示器件使用的材料。A-器件使用材料的禁频宽度Eg=0.6~1.0eV 如锗、B-器件使用材料的Eg=1.0~1.3eV 如矽、C-器件使用材料的Eg>1.3eV 如砷化镓、D-器件使用材料的Eg<0.6eV 如锑化铟、E-器件使用复合材料及光电池使用的材料

第二部分:用字母表示器件的类型及主要特征。A-检波开关混频二极体、B-变容二极体、C-低频小功率三极体、D-低频大功率三极体、E-隧道二极体、F-高频小功率三极体、G-复合器件及其他器件、H-磁敏二极体、K-开放磁路中的霍尔元件、L-高频大功率三极体、M-封闭磁路中的霍尔元件、P-光敏器件、Q-发光器件、R-小功率晶闸管、S-小功率开关管、T-大功率晶闸管、U-大功率开关管、X-倍增二极体、Y-整流二极体、Z-稳压二极体。

第三部分:用数字或字母加数字表示登记号。三位数字-代表通用半导体器件的登记序号、一个字母加二位数字-表示专用半导体器件的登记序号。

第四部分:用字母对同一类型号器件进行分档。A、B、C、D、E┄┄-表示同一型号的器件按某一参数进行分档的标志。

除四个基本部分外，有时还加后缀，以区别特性或进一步分类。常见后缀如下:

1、稳压二极体型号的后缀。其后缀的第一部分是一个字母，表示稳定电压值的容许误差范围，字母A、B、C、D、E分别表示容许误差为±1%、±2%、±5%、±10%、±15%其后缀第二部分是数字，表示标称稳定电压的整数数值后缀的第三部分是字母V，代表小数点，字母V之后的数字为稳压管标称稳定电压的小数值。

2、整流二极体后缀是数字，表示器件的最大反向峰值耐压值，单位是伏特。

3、晶闸管型号的后缀也是数字，通常标出最大反向峰值耐压值和最大反向关断电压中数值较小的那个电压值。

如:BDX51-表示NPN矽低频大功率三极体，AF239S-表示PNP锗高频小功率三极体。

积体电路

把晶体二极体、三极体以及电阻电容都制作在同一块矽晶片上，称为积体电路。一块矽晶片上集成的元件数小于 100个的称为小规模积体电路，从 100个元件到1000 个元件的称为中规模积体电路，从1000 个元件到100000 个元件的称为大规模积体电路，100000 个元件以上的称为超大规模积体电路。积体电路是当前发展计算机所必需的基础电子器件。许多工业先进国家都十分重视积体电路工业的发展。积体电路的集成度以每年增加一倍的速度在增长。每个晶片上集成256千位的MOS随机存储器已研制成功，正在向1兆位 MOS随机存储器探索。

光电器件 光电探测器

光电探测器的功能是把微弱的光信号转换成电信号，然后经过放大器将电信号放大，从而达到检测光信号的目的。光敏电阻是最早发展的一种光电探测器。它利用了半导体受光照后电阻变小的效应。此外，光电二极体、光电池都可以用作光电探测元件。十分微弱的光信号，可以用雪崩光电二极体来探测。它是把一个PN结偏置在接近雪崩的偏压下，微弱光信号所激发的少量载流子通过接近雪崩的强场区，由于碰撞电离而数量倍增，因而得到一个较大的电信号。除了光电探测器外，还有与它类似的用半导体制成的粒子探测器。

半导体发光二极体

半导体发光二极体的结构是一个PN结，它正向通电流时，注入的少数载流子靠复合而发光。它可以发出绿光、黄光、红光和红外线等。所用的材料有 GaP、GaAs、GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs、In1-xGaxAs1-yPy等。

半导体雷射器

如果使高效率的半导体发光管的发光区处在一个光学谐振腔内，则可以得到雷射输出。这种器件称为半导体雷射器或注入式雷射器。最早的半导体雷射器所用的PN结是同质结，以后采用双异质结结构。双异质结雷射器的优点在于它可以使注入的少数载流子被限制在很薄的一层有源区内复合发光，同时由双异质结结构组成的光导管又可以使产生的光子也被限制在这层有源区内。因此双异质结雷射器有较低的阈值电流密度，可以在室温下连续工作。

光电池

当光线投射到一个PN结上时，由光激发的电子空穴对受到PN结附近的内在电场的作用而向相反方向分离，因此在PN结两端产生一个电动势，这就成为一个光电池。把日光转换成电能的日光电池很受人们重视。最先套用的日光电池都是用矽单晶制造的，成本太高，不能大量推广使用。国际上都在寻找成本低的日光电池，用的材料有多晶矽和无定形矽等。

其它

利用半导体的其他特性做成的器件还有热敏电阻、霍耳器件、压敏元件、气敏电晶体和表面波器件等。

未来发展

今年是摩尔法则(Moore'slaw)问世50周年，这一法则的诞生是半导体技术发展史上的一个里程碑。

这50年里，摩尔法则成为了信息技术发展的指路明灯。计算机从神秘不可近的庞然大物变成多数人都不可或缺的工具，信息技术由实验室进入无数个普通家庭，网际网路将全世界联系起来，多媒体视听设备丰富著每个人的生活。这一法则决定了信息技术的变化在加速，产品的变化也越来越快。人们已看到，技术与产品的创新大致按照它的节奏，超前者多数成为先锋，而落后者容易被淘汰。

这一切背后的动力都是半导体晶片。如果按照旧有方式将电晶体、电阻和电容分别安装在电路板上，那么不仅个人电脑和移动通信不会出现，连基因组研究、计算机辅助设计和制造等新科技更不可能问世。有关专家指出,摩尔法则已不仅仅是针对晶片技术的法则不久的将来，它有可能扩展到无线技术、光学技术、感测器技术等领域，成为人们在未知领域探索和创新的指导思想。

毫无疑问，摩尔法则对整个世界意义深远。不过，随着电晶体电路逐渐接近性能极限，这一法则将会走到尽头。摩尔法则何时失效?专家们对此众说纷纭。早在1995年在芝加哥举行信息技术国际研讨会上，美国科学家和工程师杰克·基尔比表示，5纳米处理器的出现或将终结摩尔法则。中国科学家和未来学家周海中在此次研讨会上预言，由于纳米技术的快速发展，30年后摩尔法则很可能就会失效。2012年，日裔美籍理论物理学家加来道雄在接受智囊网站采访时称，"在10年左右的时间内，我们将看到摩尔法则崩溃。"前不久，摩尔本人认为这一法则到2020年的时候就会黯然失色。一些专家指出，即使摩尔法则寿终正寝，信息技术前进的步伐也不会变慢。

图书信息

书 名: 半导体器件

作 者:布伦南高建军刘新宇

出版社:机械工业出版社

出版时间: 2010年05月

ISBN: 9787111298366

定价: 36元

内容简介

《半导体器件:计算和电信中的套用》从半导体基础开始，介绍了电信和计算产业中半导体器件的发展现状，在器件方面为电子工程提供了坚实的基础。内容涵盖未来计算硬体和射频功率放大器的实现方法，阐述了计算和电信的发展趋势和系统要求对半导体器件的选择、设计及工作特性的影响。

《半导体器件:计算和电信中的套用》首先讨论了半导体的基本特性接着介绍了基本的场效应器件MODFET和M0SFET，以及器件尺寸不断缩小所带来的短沟道效应和面临的挑战最后讨论了光波和无线电信系统中半导体器件的结构、特性及其工作条件。

作者简介

Kevin F Brennan曾获得美国国家科学基金会的青年科学家奖。2002年被乔治亚理工大学ECE学院任命为杰出教授，同年还获得特别贡献奖，以表彰他对研究生教育所作出的贡献。2003年，他获得乔治亚理工大学教职会员最高荣誉--杰出教授奖。他还是IEEE电子器件学会杰出讲师。

图书目录

译者序

前言

第1章 半导体基础

1.1 半导体的定义

1.2 平衡载流子浓度与本征材料

1.3 杂质半导体材料

思考题

第2章 载流子的运动

2.1 载流子的漂移运动与扩散运动

2.2 产生-复合

2.3 连续性方程及其解

思考题

第3章 结

3.1 处于平衡状态的pn结

3.2 不同偏压下的同质pn结

3.3 理想二极体行为的偏离

3.4 载流子的注入、拉出、电荷控制分析及电容

3.5 肖特基势垒

思考题

第4章 双极结型电晶体

4.1 BJT工作原理

4.2 BJT的二阶效应

4.2.1 基区漂移

4.2.2 基区宽度调制/Early效应

4.2.3 雪崩击穿

4.3 BJT的高频特性

思考题

第5章结型场效应电晶体和金属半导体场效应电晶体

5.1 JFE

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。

---