半導(dǎo)體

半導(dǎo)體全面分析（一）：兩大特性，三大政策，四大分類！

第一電動大牛作者史晨星 2019-09-19 12:08

半導(dǎo)體全面分析系列分三篇，本篇是市場分析，后兩篇分別是技術(shù)、產(chǎn)業(yè)分析。

一、兩大特性

1. 能帶

導(dǎo)體，咱能理解，絕緣體，咱也能理解，不好理解的，怕是半導(dǎo)體了

原子組成物質(zhì)時(shí)，會有很多電子混到一起，但2個(gè)相同電子沒法待在一個(gè)軌道上，于是，很多軌道就分裂成了好幾個(gè)軌道，這么多軌道擠在一起，不小心挨得近了，就變成了寬寬的大軌道。在量子力學(xué)里，這種細(xì)軌道叫能級，擠在一起變成的寬軌道就叫能帶

有些寬軌道擠滿了電子，電子不能移動，宏觀上表現(xiàn)為不能導(dǎo)電

有些寬軌道空間很空曠，電子自由移動，宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)電

有些滿軌道和空軌道挨的太近，電子可以毫不費(fèi)力從滿軌道跑到空軌道上，于是就能自由移動，這就是導(dǎo)體

如果兩條寬軌道之間有空隙，電子單靠自己跨不過去，表現(xiàn)為不導(dǎo)電

如果空隙的寬度在5ev之內(nèi)，給電子加個(gè)額外能量，也能跨到空軌道上，跨過去就能自由移動，表現(xiàn)為導(dǎo)電。這種空隙寬度不超過5ev的固體，有時(shí)導(dǎo)電、有時(shí)不導(dǎo)電，所以叫半導(dǎo)體

2. 半導(dǎo)體

半導(dǎo)體 Semiconductor 是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體（conductor）與絕緣體（insulator）之間的材料

通常金屬的電導(dǎo)率大于一萬（10 4 ）Ω -1 cm -1 ，如鋁、銅、銀、鉑等，而絕緣體的電導(dǎo)率則小于百億分之一（10 -10 ）Ω -1 cm -1 ，如橡膠、陶瓷、塑料等，電導(dǎo)率介于10 4-10 -10 Ω -1 cm -1 之間的一種固體材料，則被稱為半導(dǎo)體

下面有點(diǎn)燒腦細(xì)胞

3. 摻雜特性

半導(dǎo)體的電導(dǎo)率并不是一成不變的，它會隨著摻入雜質(zhì)元素、受熱、受光照、受到外力等種種外界條件，而在絕緣體和金屬之間電導(dǎo)率區(qū)間內(nèi)發(fā)生變化，這些特性使得半導(dǎo)體衍生出了較為豐富的應(yīng)用場景

一種是摻入Ⅴ族元素（常用的有磷P、砷As），V族元素相比Ⅳ族的外層電子多出一個(gè)，多出的電子能夠作為導(dǎo)電的來源，這種摻雜手段被稱為N（Negative）型摻雜

另一種是摻入Ⅲ族元素（常用的有硼B(yǎng)、氟化硼B(yǎng)F2），Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外層電子少一個(gè)，這種缺少電子的空位被稱為空穴，空穴同樣能夠?qū)щ姡瑢?yīng)的摻雜手段被稱為P（Positive）型摻雜

PN 結(jié)

把PN這兩種半導(dǎo)體面對面放一起會咋樣？不用想也知道，N型那些額外的電子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到電場平衡為止，這就是大名鼎鼎的“PN結(jié)”(動圖來自《科學(xué)網(wǎng)》張?jiān)频牟┪?

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，電流只能從這一頭流向另一頭，無法從另一頭流向這一頭

如果將PN結(jié)加正向電壓，即P區(qū)接正極，N區(qū)接負(fù)極，多數(shù)載流子將在外電場力的驅(qū)動下源源不斷地通過PN結(jié)，形成較大的擴(kuò)散電流，稱為正向電流

如果加個(gè)反向的電壓，多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動減弱，沒有正向電流通過PN結(jié)，只有少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動形成了反向電流。由于少數(shù)載流子為數(shù)很少，故反向電流是很微弱的，電阻很大

一個(gè)PN 結(jié)就可以形成半導(dǎo)體器件中最簡單的二極管（Diode），它同時(shí)也是構(gòu)筑三極管（BJT ）、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）等其他眾多半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

下面舉個(gè)例子加深理解

為什么張無忌給女的輸內(nèi)力就要脫衣服，男的不用？

針對張無忌傳輸內(nèi)功：假設(shè)男性為P型摻雜，女性為N型摻雜，內(nèi)功為電子運(yùn)動形成的電流，則有：男–男傳輸內(nèi)功時(shí)，載流子在同摻雜半導(dǎo)體內(nèi)運(yùn)動，其情形相當(dāng)于在電阻中運(yùn)動，不需要克服勢壘

當(dāng)男–女傳輸內(nèi)功時(shí)，電子在PN結(jié)中運(yùn)動，需要克服勢壘(衣服)才能流動，因此需要降低勢壘

4. 光電特性

光生電：在PN結(jié)處沒有可以自由移動的電子和空穴，但是晶格原子外層有許多被束縛的共價(jià)電子。光照能使共價(jià)電子獲得能量，脫離晶格原子的束縛，變成可以自由移動的電子和空穴。而電子和空穴都是構(gòu)成電流的成分，因此光照可以使PN結(jié)產(chǎn)生電流。PN結(jié)光生電的特性使它能夠制備成雪崩二極管、 PIN二極管，這些器件廣泛應(yīng)用于光探測器、太陽能電池等領(lǐng)域

電生光：反之，若在PN結(jié)兩端加以正向電壓，半導(dǎo)體中的電子和空穴就會在結(jié)處相遇之后消失（復(fù)合），并產(chǎn)生一束光子，前提是制造PN結(jié)的材料為直接帶隙半導(dǎo)體。PN 結(jié)電生光的特性使它能制作成發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD ）等，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體照明、光通訊中的光源、3DSensing 等領(lǐng)域

直接帶隙半導(dǎo)體，是指這種材料中的電子和空穴復(fù)合時(shí)遵循動量守恒，如化合物半導(dǎo)體材料：GaAs、GaP、GaN等。而對于應(yīng)用十分廣泛的硅材料來說，它屬于間接帶隙半導(dǎo)體，用硅材料制造的PN結(jié)只能制造具有整流、開關(guān)特性的二極管，并不能發(fā)出光子

二、四大分類

5. 四大分類

半導(dǎo)體在應(yīng)用上可以分為四類產(chǎn)品，分別是集成電路、光電子器件、分立器件和傳感器，詳細(xì)分析請持續(xù)關(guān)注本公眾號（史晨星 shichenxing1）

分立器件：單個(gè)的二極管、三極管、功率半導(dǎo)體器件（如LDMOS、IGBT等）都屬于分立器件。它們相比集成電路的缺點(diǎn)就是體積大，但是在一些場合（如超大功率、半導(dǎo)體照明），分立器件比集成電路更具優(yōu)勢

光電子器件（photoelectron devices）是利用電-光子轉(zhuǎn)換效應(yīng)制成的各種功能器件。光電子器件應(yīng)用范圍廣泛，包括光通訊、光顯示、手機(jī)相機(jī)、夜視眼鏡、微光攝像機(jī)、光電瞄具、紅外探測、紅外制導(dǎo)、醫(yī)學(xué)探測和透視等多個(gè)領(lǐng)域

傳感器：傳感器是將環(huán)境中的物理量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的一種檢測裝置

集成電路(integrated circuit)(縮寫IC)是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)，也叫做芯片

芯片種類繁多，根據(jù)處理信號的不同，可以分為模擬集成電路、數(shù)字集成電路。

三、萬億規(guī)模

6. 全球

據(jù)WSTS最新數(shù)據(jù)，2018年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模達(dá)到4780億美金，預(yù)測2019年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模將達(dá)到4901億美金

根據(jù) WSTS 數(shù)據(jù)，分立器件銷售額為 241.02 億美金、光電子銷售額為 380.32 億美金、傳感器銷售額為 133.56 億美金、集成電路（Integrated Circuit，簡稱 IC）銷售額為 3932.88 億美金，分別占到全球半導(dǎo)體銷售總額的 5.14%、8.11%、2.85%、83.9%

根據(jù) IC Insights、Gartner數(shù)據(jù)，2018 年全球集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)值為 1139 億美金，集成電路封測產(chǎn)值為 560 億美金，IC 制造環(huán)節(jié)的產(chǎn)值約為 2233.8 億美金，設(shè)計(jì)、制造、封測環(huán)節(jié)的產(chǎn)值占比分別為 29%、57%、14%

7. 中國

從市場結(jié)構(gòu)來看，中國和美洲（主要是美國）已經(jīng)成為全球半導(dǎo)體前兩大消費(fèi)市場，2018 年，其市場規(guī)模占比分別為 32%、22%，其次是歐洲和日本

8. 應(yīng)用

根據(jù) IC Insights 數(shù)據(jù)，2018年集成電路的主要下游應(yīng)用可分為電腦（36.6%）、通信（36.4%）、消費(fèi)電子（11.0%）、汽車（8.0%）、工控（8.0%）、軍用（6.5%），預(yù)計(jì)2023 年通信市場將超越電腦成為集成電路最大的下游市場，占比有望達(dá)到 35.7%，汽車市場占比也有望較 18 年提升 1.8pct

物聯(lián)網(wǎng)及汽車電子為全球半導(dǎo)體市場發(fā)展新動力

四、三大政策

9. 中國三大政策

全球各國對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)均有各種支持

中國三大政策

2014年6月24日，國家集成電路推進(jìn)綱要發(fā)布，國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金正式設(shè)立

中國制造 2025 彰顯國產(chǎn)化決心

《極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)及成套工藝》項(xiàng)目，因次序排在國家重大專項(xiàng)所列 16 個(gè)重大專項(xiàng)第二位，在行業(yè)內(nèi)被稱為“02 專項(xiàng)”。

五、重要性

10. 信息產(chǎn)業(yè)基石

集成電路被稱為現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”，在信息時(shí)代，電腦、手機(jī)、家電、汽車、高鐵、電網(wǎng)、醫(yī)療儀器、機(jī)器人、工業(yè)控制等各種電子產(chǎn)品和系統(tǒng)都離不開集成電路。美國更是把集成電路產(chǎn)業(yè)稱為未來 20 年從根本上改造制造業(yè)的四大技術(shù)領(lǐng)域之首