科普：半导体行业（上）

半导体的分类

半导体行业是发展到现在经历了半个多世纪，目前半导体广泛的应用在通信、电子、计算机以及汽车等重要的工业和信息行业，是我们日常生活中不可或缺的重要元器件。

实际上集成电路和芯片、光电器件等都是半导体的一部分，但是我们常常是混用的。包括著名的大基金，即国家集成电路产业投资基金，实际上投资标的的范围并非仅仅是投资集成电路而已，而是整个广义意义上的半导体行业。所以，通常在一级市场和二级市场上所说的半导体、芯片、集成电路，虽然不是同样的范围，但是可以理解为一个意思。

半导体的分类

资料来源：平安证券、华安证券、财富号观察者Aaron整理

半导体可以分为集成电路、分立器件、光电器件和传感器等部分，其中集成电路（集成电路包括逻辑芯片、存储芯片、模拟芯片和mpu等。集成电路在性能、集成度、速度等方面的快速发展是以半导体物理、半导体器件、半导体制造工艺的发展为基础的。）是占比最大的部分。

2018年全球半导体市场规模结构情况（亿美元）

资料来源：公开资料整理

2018年全球半导体行业市场规模为4688亿美元，同比增长7.4%，其中集成电路市场规模为3933亿美元，同比增长14.59%。集成电路的市场规模大约占半导体行业的84%左右（数据来源：东方财富网）。

光电器件

半导体光电器件是指把光和电这两种物理量联系起来，使光和电互相转化的新型半导体器件。即利用半导体的光电效应（或热电效应）制成的器件。光电器件主要有，利用半导体光敏特性工作的光电导器件，利用半导体光伏打效应工作的光电池和半导体发光器件等；如光导管、光电池、光电二极管、光电晶体管、光敏电阻等；半导体热电器件如热敏电阻、温差发电器和温差电致冷器等。

光敏电阻的工作原理

光电核心器件产品主要包括LED、激光器、探测器、光学元件、传感器、滤光片、光纤等。

激光器

传感器

导体传感器是指利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器，是一种新型半导体器件。所采用的半导体材料多数是硅以及Ⅲ-Ⅴ族和 Ⅱ-Ⅵ族元素化合物。半导体传感器种类繁多，它利用近百种物理效应和材料的特性，具有类似于人眼、耳、鼻、舌、皮肤等多种感觉功能，能够能实现电、光、温度、声、位移、压力等物理量之间的相互转换，并且易于实现集成化、多功能化，更适合于计算机的要求，所以被广泛应用于自动化检测系统中。由于实际的被测量大多数是非电量，因而传感器的主要工作就是将非电信号转换成电信号。

半导体传感器按输入信息分为物理敏感（检出对象为光、温度、磁、压力、湿度等）、化学敏感（检出对象为气体分子、离子、有机分子等）和生物敏感（检出对象为生物化学物质）半导体传感器三类。

传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成，如图所示。

敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。

在我们日常生活中用着各种各样的传感器，如电冰箱、电饭煲中的温度传感器；空调中的温度和湿度传感器；抽油烟机中的煤气泄漏传感器；电视机和影碟机中的红外遥控器；照相机中的光传感器；汽车中的燃料计；手机的按压传感器等等，不胜枚举。

分立器件

分立器件包括二极管DIODE，晶体管（NPN型/PNP型），J型场效应管J-FET，MOS场效应管 MOS-FET，双向可控硅TRIAC，可控硅SCR，绝缘栅双极大功率晶体管IGBT，硅触发可控硅STS，达林顿阵列DARLINTON，光电耦合OPTO-COUPLER，继电器RELAY，稳压、齐纳二极管ZENER，三端稳压器REGULATOR，光电开关OPTO-SWITCH，光电逻辑OPTO-LOGIC，金属氧化物压变电阻MOV，固态过压保护器SSOVP，压变电阻VARISTOR，双向触发二极管；其中，MOSFET和IGBT属于电压控制型开关器件，相比于功率三极管、晶闸管等电流控制型开关器件，具有易于驱动、开关速度快、损耗低等特点。

在分立器件发展过程中，20世纪50年代，功率二极管、功率三极管面世并应用于工业和电力系统；20世纪60至70年代，晶闸管等半导体功率器件快速发展；20世纪70年代末，平面型功率MOSFET发展起来；20世纪80年代后期，沟槽型功率MOSFET和IGBT逐步面世，半导体功率器件正式进入电子应用时代；20世纪90年代，超结MOSFET逐步出现，打破传统"硅限"以满足大功率和高频化的应用需求；2008年，英飞凌（Infineon）率先推出屏蔽栅功率MOSFET，半导体功率器件的性能进一步提升。

分立器件各代产品特点及市场状况

　 　当前半导体分立器件产业正在发生深刻的变革，其中新材料成为产业新的发展重心。以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等材料为代表的新材料半导体因其宽禁带、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等优异的性能而受到行业关注，有望成为新型的半导体材料。SiC、GaN等半导体材料属于新兴领域，具有极强的应用战略性和前瞻性。目前美欧、日韩及台湾等地区已经实现SiC、GaN等新材料半导体功率器件的量产。

半导体分立器件是电力电子产品的基础之一，也是构成电力电子变化装置的核心器件之一，主要用于电力电子设备的整流、稳压、开关、混频等，具有应用范围广、用量大等特点，在消费电子、汽车电子、电子仪器仪表、工业及自动控制、计算机及周边设备、网络通讯等众多国民经济领域均有广泛的应用。从细分市场来看，半导体分立器件受益于智能制造、电力改造、电子通讯升级、互联网等普及的趋势，其市场也逐步向高端推进。近年来，受益于国际电子制造产业的转移，以及下游行业需求的拉动，我国半导体分立器件行业保持了较快的发展态势。

集成电路

集成电路（又称为IC）作为半导体最重要的组成部分，也是我国自主创新重点突破的领域。国内的半导体行业上市公司，也多数分布在集成电路行业。

那么通常说的设计和封测又是怎么回事呢？

这就涉及到集成电路的产业链了。集成电路的产业链从设计开始，经过制造后，最后进行封装测试，共三项环节。

集成电路的产业链

资料来源：平安证券，财富号观察者Aaron整理

除了三项环节之外，还需要考虑到生产制造所需要的材料和设备，所以共计五大环节，是组成集成电路行业的重要细分行业其中集成电路的设计任然依赖于进口，2016年据统计国内自给率25%，还有高达75%需要进口。

集成电路设计

集成电路设计（下称IC设计）指在一块较小的单晶硅片上集成许多晶体管及电阻、电容等元 器件，并按照多层布线或遂道布线的方法，将元器件组合成完整的电子电路的整个设计过程。集成电路设计是一门非常复杂的专业，而电脑辅助软件的 成熟，让 IC 设计得以加速。在 IC 生产流程中，IC 多由专业 IC 设计公司进 行规划、设计，像是联发科、高通、Intel 等知名大厂，都自行设计各自的 IC 芯片，提供不同规格、效能的芯片给下游厂商选择。

详细的集成电路制作工艺流程

资料来源：晶方科技招股说明书，东方财富证券，东吴证券，财富号观察者Aaron整理

集成电路的制造

集成电路的制造就是依照设计选定合格纯度的单晶硅晶棒在经过切片和边缘研磨、抛光清洗（切片就是将硅棒切成精确尺寸的薄晶圆，对其边缘进行抛光、研磨清洗得到的硅晶圆）后开始进行化学（或物理）沉积，经过光刻（在晶圆上印制芯片电路图形，是整个制作过程中最重要的的关键步骤）、刻蚀（用化学的、物理的或同时使用化学和物理的方法，有选择地把没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜层除去，从而在薄膜上得到和抗蚀剂膜上完全一致的图形）、注入离子增加导电性（晶圆衬底是纯硅材料，不导电或导电性极弱，为了在芯片内具有导电性，必须在晶圆里掺入微量的不纯物质，通常是砷、硼、磷。）得到的电子电路芯片进行测试和封装。

集成电路封测

根据上图可以看出封装和测试是整个集成电路里最后的一道环节，而封装的目的就是为了保护晶圆，测试则是为了保证半导体的功能是可以实现的。

资料来源：华夏幸福产业研究院，东方财富证券，财富号观察者Aaron整理

封装又分为传统封装和先进封装，目前的电子产品和智能仪器对体积的要求越来越高，像手机、手提电脑等要越来越轻，还要越来越薄，各种智能穿戴设备显然也不可能是大体积的电子产品。因此产品的需求直接传导至元器件和组成零部件，导致了对半导体芯片行业更高密度、更强能力和更低成本的要求。

封装产品的更新迭代

资料来源：TOLE，东吴证券，财富号观察者Aaron整理

目前主流的封装技术可以被称作为传统封装技术，而更高密度的封装技术则被称之为先进封装技术，传统的封装技术以保护芯片为核心目的，而先进封装技术则还需要兼顾芯片的功耗、散热、数据等方面的表现，提升整体的芯片表现能力。而国产化最高最快的就属封装了。得益于我国的传统优势是其属于技术门槛最低、劳动密集型。

3D封装技术

资料来源：Elecfans，东吴证券，财富号观察者Aaron整理

国家集成电路产业投资基金一期项目

资料来源：前瞻产业研究所，川财证券研究所

半导体行业的五大环节中，半导体设备和半导体材料是参与了其他各个环节的重要细分行业（分别在中篇和下篇介绍）。