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什麽是第三代半導體?包妳能看懂

作者/朱公子

第三代半導體

我估摸著只要是炒股或者是關註二級市場的朋友們,這幾天壹定都沒少聽這詞兒,如果不是大盤這幾天實在是太慘了,估計炒作行情會比現在強勢的多得多。

那到底這所謂的第三代半導體,到底是個什麽玩意?值不值得炒?未來的邏輯在哪兒?

接下來,只要您能耐著性子好好看,我保證給它寫的人人都能整明白,這可比妳天天盯著大盤有意思的多了!

壹、為什麽稱之為第三代半導體?

1、重點詞

客官們就記住壹個關鍵詞—— 材料 ,這就是前後三代半導體之間最大的區別。

2、每壹代材料的簡述

①第壹代半導體材料: 主要是指矽(Si)、鍺元素(Ge)半導體材料。

興起時間: 二十世紀五十年代。

代表材料: 矽(Si)、鍺(Ge)元素半導體材料。

應用領域: 集成電路、電子信息網絡工程、電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發展的新能源、矽光伏產業。

歷史 意義: 第壹代半導體材料引發了以集成電路(IC)為核心的微電子領域迅速發展。

對於第壹代半導體材料,簡單理解就是:最早用的是鍺,後來又從鍺變成了矽,並且幾乎完全取代。

原因在於: ①矽的產量相對較多,具備成本優勢。②技術開發更加完善。

但是,到了40納米以下,鍺的應用又出現了,因為鍺矽通道可以讓電子流速更快。現在用的鍺矽在特殊的通道材料裏會用到,將來會涉及到碳的應用,下文會詳細講解。

②第二代半導體材料: 以砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)為代表,是4G時代的大部分通信設備的材料。

興起時間: 20世紀九十年代以來,隨著移動通信的飛速發展、以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯網的興起,以砷化鎵、銻化銦為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭角。

代表材料: 如砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb);三元化合物半導體,如GaAsAl、GaAsP;還有壹些固溶體半導體,如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半導體(又稱非晶態半導體),如非晶矽、玻璃態氧化物半導體;有機半導體,如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

應用領域: 主要用於制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。

因信息高速公路和互聯網的興起,還被廣泛應用於衛星通訊、移動通訊、光通信和 GPS 導航等領域。

性能升級: 以砷化鎵為例,相比於第壹代半導體,砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性。

總結: 第二代是使用復合物的。也就是復合半導體材料,我們生活中常用的是砷化鎵、磷化銦這壹類材料,可以用在功放領域,早期它們的速度比較快。

但是因為砷含劇毒!所以現在很多地方都禁止使用,砷化鎵的應用還只是局限在高速的功放功率領域。而磷化銦則可以用來做發光器件,比如說LED裏面都可以用到。

③第三代半導體材料: 以氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、金剛石為四大代表,是5G時代的主要材料。

起源時間: M國早在1993年就已經研制出第壹支氮化鎵的材料和器件。而我國最早的研究隊伍——中國科學院半導體研究所,在1995年也起步了該方面的研究。

重點: 市場上從半年前炒氮化鎵的充電器時,市場的反應壹直不夠強烈,那是因為當時第三代半導體還沒有被列入國家“十四五”這個層級的戰略部署上,所以單憑氮化鎵這壹個概念,是不足以支撐整個市場邏輯的!

發展現狀: 在5G通信、新能源 汽車 、光伏逆變器等應用需求的明確牽引下,目前,應用領域的頭部企業已開始使用第三代半導體技術,也進壹步提振了行業信心和堅定對第三代半導體技術路線的投資。

性能升級: 專業名詞咱們就不贅述了,通俗的說,到了第三代半導體材料這兒,更好的化合物出現了,性能優勢就在於耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻射、導電性能更強、工作速度更快、工作損耗更低。

有壹點我覺得需要單獨提壹下:碳化矽與氮化鎵相比較,碳化矽的發展更早壹些,技術成熟度也更高壹些;兩者有壹個很大的區別是熱導率:在高功率應用中,碳化矽占據統治地位;氮化鎵具有更高的電子遷移率,因而能夠比碳化矽具有更高的開關速度,所以在高頻率應用領域,氮化鎵具備優勢。

第三代半導體的應用

咱們重點說壹說碳化矽 。碳化矽在民用領域應用非常廣泛:其中電動 汽車 、消費電子、新能源、軌道交通等領域的直流、交流輸變電、溫度檢測控制等。

咱先舉兩個典型的例子:

1.2015年,豐田 汽車 運用碳化矽MOSFET的凱美瑞試驗車,逆變器開關損耗降低30%。

2.2016年,三菱電機在逆變器上用到了碳化矽,開發出了全世界最小馬達。

而其他軍用領域上,碳化矽更是廣泛用於噴氣發動機、坦克發動機、艦艇發動機、風洞、航天器外殼的溫度、壓力測試等。

為什麽我說要重點說說碳化矽呢?因為半導體產業的基石正是 芯片 ,而碳化矽,正因為它優越的物理性能,壹定是將來 最被廣泛使用在制作半導體芯片上的基礎材料

①優越的物理性能:高禁帶寬度(對應高擊穿電場和高功率密度)、高電導率、高熱導率。而且,碳化矽MOSFET將與矽基IGBT長期***存,他們更適合應用在高功率和高頻高速領域。

②這裏穿插了壹個陌生詞匯:“禁帶寬度”,這到底是神馬東西?

這玩意如果解釋起來,又得引申出如“能帶”、“導帶”等壹系列的概念,如果不是真的喜歡,我覺得大家也沒必要非去研究這些,單說在第三代半導體行業板塊中,能知道這壹個詞,您已經跑贏90%以上的小散了。

客觀們就主要記住壹個知識點吧: 對於第三代半導體材料,越高的禁帶寬度越有優勢

③主要形式:“襯底”。半導體芯片又分為:集成電路和分立器件。但不論是集成電路還是分立器件,其基本結構都可劃分為“襯底 -外延-器件”結構,而碳化矽在半導體中存在的主要形式是作為襯底材料。

④生產工藝流程:

原料合成——晶體生長——晶錠加工——晶體切割——晶片研磨——晶片拋光——晶片檢測——晶片清洗

總結:晶片尺寸越大,對應晶體的生長與加工技術難度越大,而下遊器件的制造效率越高、單位成本越低。目前國際碳化矽晶片廠商主要提供4英寸至6英寸碳化矽晶片,CREE、II-VI等國際龍頭企業已開始投資建設8英寸碳化矽晶片生產線。

⑤應用方向:科普完知識、講完生產制造,最終還是要看這玩意兒怎麽用,倆個關鍵詞:功率器件、射頻器件。

功率器件: 最重要的下遊應用就是—— 新能源 汽車

現有技術方案:每輛新能源 汽車 使用的功率器件價值約700美元到1000美元。隨著新能源 汽車 的發展,對功率器件需求量日益增加,成為功率半導體器件新的增長點。

新能源 汽車 系統架構中,涉及到功率器件包括——電機驅動系統、車載充電系統(OBC)、電源轉換系統(車載DC/DC)和非車載充電樁。碳化矽功率器件應用於電機驅動系統中的主逆變器。

另外還應用領域也包括——光伏發電、軌道交通、智能電網、風力發電、工業電源及航空航天等領域。

射頻器件: 最重要的下遊應用就是—— 5G基站

微波射頻器件,主要包括——射頻開關、LNA、功率放大器、濾波器。5G基站則是射頻器件的主要應用方向。

未來規模:5G時代的到來,將為射頻器件帶來新的增長動力!2025年全球射頻器件市場將超過250億美元。目前我國在5G建設全球領先,這也是對岸金毛現在狗急跳墻的原因。

我國未來計劃建設360萬臺-492萬臺5G宏基站,而這個規模是4G宏基站的1.1-1.5倍。當前我國已經建設的5G宏基站約為40萬臺,未來仍有非常大的成長空間。

半導體行業的核心

我相信很多客官壹定有這樣的疑問: 芯片、半導體、集成電路 ,有什麽區別?

1.半導體:

從材料方面說 ,教科書上是這麽描述的:Semiconductor,是常溫下導電性能介於導體與絕緣體之間的壹類材料;

按功能結構區分, 半導體行業可分為:集成電路(核心)、分立器件、光電器件及傳感器四大類。

2.集成電路(IC, integrated circuit):

最經典的定義就是:將晶體管、二極管等等有源元件、電阻器、電容器等無源元件,按照壹定的電路互聯,“集成”在壹塊半導體單晶片上,從而完成特定的電路或者系統功能。

3.芯片:

半導體元件產品的統稱 ,是指內含集成電路的矽片,是集成電路的載體,由晶圓分割而成。矽片是壹塊很小的矽,內含集成電路,它是計算機或者其他電子設備的壹部分。

為什麽說集成電路,是半導體行業的核心? 那是因為集成電路的銷售比重,基本保持在半導體銷售額的80%。

比如,2018年全球4700億美元的半導體銷售額中,集成電路***計3900億美元,占比達84%。

第三代半導體的未來方向

中國半導體業進入IDM模式是大勢所趨,其長久可持續性我非常認可。但是講到IDM,又有壹堆非常容易混淆的概念,篇幅實在是太長了,咱們就不再拆分來講了,妳只要知道IDM最牛逼就完事了!

IDM: 直譯:Integrated Design and Manufacture, 垂直整合制造

1.IDM企業: IDM商業模式,就是國際整合元件制造商模式。其廠商的經營範圍涵蓋了IC設計、IC制造、封裝測試等各個環節,甚至也會延伸到下遊電子終端。典型廠商:Intel、三星、TI(德州儀器)、東芝、ST(意法半導體)等。

2.IDM模式優勢:

(1)IDM模式的企業,內部有資源整合優勢,從IC設計到IC制造所需的時間較短。

(2)IDM企業利潤比較高。根據“微笑曲線”原理,最前端的產品設計、開發與最末端的品牌、營銷具有最高的利潤率,中間的制造、封裝測試環節利潤率較低。

(3)IDM企業具有技術優勢。大多數的IDM企業都有自己的IP(知識產權),技術開發能力比較強,具有技術領先優勢。

3.IDM重要性

IDM的重要性是不需要用邏輯去判斷的,全球集成電路市場的60%由IDM企業所掌握。比如三星電子、恩智浦、英飛淩、NXP等。

4.中國為什麽要發展IDM模式?

IDM模式的優勢: 產業鏈內部直接整合、具備規模效應、有效縮短新產品上市時間、並將利潤點留在企業內部。

市場的自然選擇: 此外,中國已成為全球最大的集成電路消費市場,並具有豐富的勞動力資源,對於發展自有品牌的IDM具有市場優勢和成本優勢。

現在,無論是被M國的封鎖倒逼出來,還是我們自主的選擇,我們都必須開拓出壹條中國IDM發展之路!

現狀: 目前國內現有的所謂IDM,其制造工藝水平和設計能力相當低,比較集中在功率半導體,產品應用面較窄,規模做不大。我知道,這些事實說出來挺讓人沮喪的,但這就是事實。

但正因為我們目前處在相對落後的階段,才更加需要埋頭苦幹、咬牙追趕,然後壹舉拿下!

本來寫這篇文章的時候不想說股的,但還是提幾只吧,也算是給咱們國家的半導體事業做壹點點微小的貢獻。

射頻類相關優質標的:卓勝微、中天 科技 、和而泰、麥捷 科技 ;

IDM相關優質標的:中環股份、上海貝嶺、長電 科技

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