硬件百科:半导体原材料有哪些?
这些年整个集成电路行业都陷入了瓶颈,处理器工艺制程难以精进,摩尔定律似乎已经走向了没落,半导体行业一直想要找出可以替代硅(Si)的半导体材料,但尝试了各种后发现还是硅(Si)好挣钱。
虽然硅(Si)在集成电路芯片制造上目前无法被替代,但经过了这么多年的发展,每一个成熟的半导体材料自己都可以带动一个行业的发展,那么目前行业里有哪些半导体材料呢?
业界将半导体材料进行过分类,前面提到的硅(Si)和锗(Ge)是第一代半导体材料。
硅(Si):前面提到的硅(Si)是目前应用最广泛的半导体材料,集成电路基本都是由硅(Si)制造。硅(Si)被大家广为熟知是因为它是CPU的材料,英特尔和AMD的处理器都是基于硅(Si)所打造的,当然除了CPU,GPU芯、存储闪存也都是硅(Si)的天下。
锗(Ge):锗(Ge)是早期晶体管的材料,可以说正是硅(Si)出现之后锗(Ge)才走向了没落,不过也只是锗(Ge)并没有被硅(Si)完全取代,作为重要的半导体材料之一,锗(Ge)依旧活跃在一些光纤、太阳能电池等通道领域。
第一代半导体材料的不管是技术开发还是还是成本把握都最为成熟,所以即使后面的第二、第三代半导体材料在某些特性表现方面完全超越了硅(Si),却也没有办法商用取代硅(Si)的价值,无法带来硅(Si)这样的高收益才是关键。
第二代半导体材料与第一代半导体有本质的不同,第一代半导体的硅(Si)和锗(Ge)属于单质半导体,也就是由单一物质构成。而第二代属于化合物半导体材料,由两种或两种以上元素合成而来,并且拥有半导体特性,第二代半导体常见的是砷化镓(GaAs)和磷化铟 (InP)。
砷化镓(GaAs):砷化镓(GaAs)是第二代半导体材料的标志性产物之一,我们经常听说的的LED发光二极管,就有砷化镓(GaAs)参与。
砷化镓(GaAs)
磷化铟 (InP):磷化铟 (InP)由金属铟和赤磷在石英管中加热反应制作,特点是耐高温、高频率和高速率,因此在通讯行业被广泛应用,用于制作通信器件。
第二代半导体可以说是4G时代的基盘,很多4G设备使用的材料都是基于第二代半导体材料打造。
第三代半导体:
第三代半导体同样属于化合物半导体材料,特点是高禁带宽度、高功率和高频以及高电压等,代表产品是,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。
碳化硅(SiC):碳化硅(SiC)的特性有耐高温、耐高压,非常适合是做功率器件开关,如很多主板上高端MOSFET就是由碳化硅(SiC)制作的。
MOSFET
氮化镓(GaN):氮化镓(GaN)碳化硅(SiC)一样都是高禁带宽度半导体,特性是能耗低、适合高频率,适合打造5G基站,唯一的缺点就是技术成本过高,很难在商用领域看到。
目前国内比较流行推广第三代半导体的发展,原因是国内外起点差距小,还有竞争的机会。
注意事项:
虽然这些半导体材料被认为划分到为第一代、第二代,听起来也像是迭代的产品,但其实这些第一代、第二代、第三代半导体材料并不是替代关系,它们的特性不同,应用的场景也不一样,一二三代只是行业一种区分标识,只是根据材料进行了划分,有些场景化甚至会同时应用在一起。
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半导体全面分析(一):两大特性,三大政策,四大分类
一、两大特性
1. 能带
导体 ,咱能理解,绝缘体 ,咱也能理解,不好理解的,怕是半导体 了
原子组成物质时,会有很多电子混到一起,但2个相同电子没法待在一个轨道上,于是,很多轨道就分裂成了好几个轨道,这么多轨道挤在一起,不小心挨得近了,就变成了宽宽的大轨道。
在量子力学里,这种细轨道叫能级 ,挤在一起变成的宽轨道就叫能带 有些宽轨道挤满了电子,电子不能移动,宏观上表现为不能导电 有些宽轨道空间很空旷,电子自由移动,宏观上表现为导电 有些满轨道和空轨道挨的太近,电子可以毫不费力从满轨道跑到空轨道上,于是就能自由移动,这就是导体 如果两条宽轨道之间有空隙,电子单靠自己跨不过去,表现为不导电 如果空隙的宽度在5ev之内,给电子加个额外能量,也能跨到空轨道上,跨过去就能自由移动,表现为导电 。
这种空隙宽度不超过5ev的固体,有时导电、有时不导电,所以叫半导体
2. 半导体
半导体 Semiconductor 是指常温下导电性能介于导体(conductor) 与绝缘体(insulator) 之间的材料
通常金属的电导率大于一万 (10 4 )Ω -1 cm -1,如铝、铜、银、铂等,而绝缘体的电导率则小于百亿分之一 (10 -10 )Ω -1 cm -1,如橡胶、陶瓷、塑料等,电导率介于10 4-10 -10 Ω -1 cm -1 之间的一种固体材料,则被称为半导体
下面有点烧脑细胞
3. 掺杂特性
半导体的电导率并不是一成不变的,它会随着掺入杂质元素 、受热、受光照、受到外力等种种外界条件,而在绝缘体和金属之间电导率区间内发生变化,这些特性使得半导体衍生出了较为丰富的应用场景一种是掺入Ⅴ族元素(常用的有磷P、砷As),V族元素相比Ⅳ族的外层电子多出一个,多出的电子能够作为导电的来源,这种掺杂手段被称为N(Negative)型掺杂 另一种是掺入Ⅲ族元素(常用的有硼B、氟化硼BF2),Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外层电子少一个,这种缺少电子的空位被称为空穴,空穴同样能够导电,对应的掺杂手段被称为P(Positive)型掺杂
PN 结
把PN这两种半导体面对面放一起会咋样?不用想也知道,N型那些额外的电子必然是跑到P型那些空位上去了,一直到电场平衡为止,这就是大名鼎鼎的“PN结 ”(动图来自《科学网》张云的博文)PN结具有单向导电性 ,电流只能从这一头流向另一头,无法从另一头流向这一头如果将PN结加正向电压,即P区接正极,N区接负极,多数载流子将在外电场力的驱动下源源不断地通过PN结,形成较大的扩散电流,称为正向电流
如果加个反向的电压,多数载流子扩散运动减弱,没有正向电流通过PN结,只有少数载流子的漂移运动形成了反向电流。由于少数载流子为数很少,故反向电流是很微弱的,电阻很大
一个PN 结就可以形成半导体器件中最简单的二极管 (Diode),它同时也是构筑三极管 (BJT )、金属氧化物半导体场效应管 (MOSFET)等其他众多半导体器件的基础结构
4. 光电特性
光生电 :在PN结处没有可以自由移动的电子和空穴,但是晶格原子外层有许多被束缚的共价电子。
光照能使共价电子获得能量,脱离晶格原子的束缚,变成可以自由移动的电子和空穴。
而电子和空穴都是构成电流的成分,因此光照可以使PN结产生电流。
PN结光生电的特性使它能够制备成雪崩二极管、PIN二极管,这些器件 广泛应用于光探测器、太阳能电池等 领域
电生光 :反之,若在PN结两端加以正向电压,半导体中的电子和空穴就会在结处相遇之后消失(复合),并产生一束光子,前提是制造PN结的材料为直接带隙半导体。PN 结电生光的特性使它能制作成发光二极管(LED)、激光二极管(LD )等,广泛应用于半导体照明、光通讯中的光源、3DSensing 等领域直接带隙半导体 ,是指这种材料中的电子和空穴复合时遵循动量守恒,如化合物半导体材料:GaAs、GaP、GaN等。而对于应用十分广泛的硅材料来说,它属于间接带隙半导体,用硅材料制造的PN结只能制造具有整流、开关特性的二极管,并不能发出光子
二、四大分类
5. 四大分类
半导体在应用上可以分为四类产品,分别是集成电路、光电子器件、分立器件和传感器,详细分析请持续关注
分立器件: 单个的二极管、三极管、功率半导体器件(如LDMOS、IGBT等)都属于分立器件。它们相比集成电路的缺点就是体积大,但是在一些场合(如超大功率、半导体照明),分立器件比集成电路更具优势
光电子器件(photoelectron devices) 是利用电-光子转换效应制成的各种功能器件。光电子器件应用范围广泛,包括光通讯、光显示、手机相机、夜视眼镜、微光摄像机、光电瞄具、红外探测、红外制导、医学探测和透视等多个领域
传感器 :传感器是将环境中的物理量转化为电学量的一种检测装置
集成电路(integrated circuit)(缩写IC) 是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构,也叫做芯片
芯片种类繁多,根据处理信号的不同,可以分为模拟集成电路、数字集成电路,详细分析请持续关注我们
三、万亿规模
6. 全球
据WSTS最新数据,2018年全球半导体市场规模达到4780亿美金 ,预测2019年全球半导体市场规模将达到4901亿美金
根据 WSTS 数据,分立器件销售额为 241.02 亿美金、光电子销售额为 380.32 亿美金、传感器销售额为 133.56 亿美金、集成电路(Integrated Circuit,简称 IC)销售额为 3932.88 亿美金,分别占到全球半导体销售总额的 5.14%、8.11%、2.85%、83.9%
根据 IC Insights、Gartner数据,2018 年全球集成电路设计产值为 1139 亿美金,集成电路封测产值为 560 亿美金,IC 制造环节的产值约为 2233.8 亿美金,设计、制造、封测环节的产值占比分别为 29%、57%、14%
7. 中国
从市场结构来看,中国 和美洲 (主要是美国)已经成为全球半导体前两大消费市场,2018 年,其市场规模占比分别为 32%、22%,其次是欧洲和日本
8. 应用
根据 IC Insights 数据,2018年集成电路的主要下游应用可分为电脑 (36.6%)、通信 (36.4%)、消费电子 (11.0%)、汽车 (8.0%)、工控 (8.0%)、军用 (6.5%),预计2023 年通信市场将超越电脑成为集成电路最大的下游市场,占比有望达到 35.7%,汽车市场占比也有望较 18 年提升 1.8pct
物联网 及汽车电子 为全球半导体市场发展新动力
四、三大政策
9. 中国三大政策
全球各国对半导体产业均有各种支持
中国三大政策
2014年6月24日,国家集成电路推进纲要 发布,国家集成电路产业投资基金 正式设立
中国制造 2025 彰显国产化决心
《极大规模集成电路制造技术及成套工艺》项目,因次序排在国家重大专项所列 16 个重大专项第二位,在行业内被称为“02 专项 ”
五、重要性
10. 信息产业基石
集成电路被称为现代工业的“粮食 ”,在信息时代,电脑、手机、家电、汽车、高铁、电网、医疗仪器、机器人、工业控制等各种电子产品和系统都离不开集成电路。
美国更是把集成电路产业称为未来 20 年从根本上改造制造业的四大技术领域之首
11. GDP 正相关
全球半导体行业的增速波动与全球GDP波动的相关性呈现高度一致(2010 至今,相关系数为 0.57 )
12. 贸易
集成电路产品已成为我国最大宗进口商品 。根据我国海关总署数据,自 2015 年以来我国集成电路进口金额长期超出原油,2018 年我国集成电路进口总额超过 3100 亿美金
13. 卡脖子
欧美国家为保护半导体技术,也制订各项审查措施
根据芯谋研究估算数据,中国企业仅在分立器件、移动处理和基带、逻辑芯片三个领域分别实现了约 17%、12%、6% 的自给,其他领域仍然重度依赖进口
集成电路领域严重的进口依赖,影响到我国的信息安全、金融安全、国防安全、能源安全 ,中兴、华为事件更是为我们敲响了警钟
来源:史震星
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