¿Qué son los semiconductores de tercera generación? Espero que puedas entender
Autor/Zhu Gongzi
Semiconductor de tercera generación
Supongo que siempre y cuando seas un corredor de bolsa o un amigo que paga atención al mercado secundario Chicos, deben haber escuchado mucho esta palabra estos días. Si el mercado no hubiera sido tan miserable estos días, supongo que el mercado publicitario habría sido mucho más fuerte de lo que es ahora.
¿Qué es entonces exactamente el llamado semiconductor de tercera generación? ¿Vale la pena el revuelo? ¿Dónde está la lógica del futuro?
A continuación, siempre que tengas la paciencia de leerlo detenidamente, te garantizo que todos los que lo escriban lo entenderán. ¡Esto es mucho más interesante que mirar el mercado todos los días!
1. ¿Por qué se le llama semiconductor de tercera generación?
1. Palabras clave
Los invitados recordarán una palabra clave: material. Ésta es la mayor diferencia entre las tres generaciones de semiconductores.
2. Breve descripción de cada generación de materiales
①La primera generación de materiales semiconductores: se refiere principalmente a materiales semiconductores de silicio (Si) y germanio (Ge).
Época de aparición: años 50.
Materiales representativos: Silicio (Si), germanio (Ge) materiales semiconductores elementales.
Campos de aplicación: circuitos integrados, ingeniería de redes de información electrónica, ordenadores, teléfonos móviles, televisores, aeroespacial, diversos proyectos militares y las nuevas industrias fotovoltaicas de silicio y energía en rápido desarrollo.
Importancia histórica: la primera generación de materiales semiconductores desencadenó el rápido desarrollo del campo de la microelectrónica con circuitos integrados (CI) como núcleo.
Una comprensión simple de la primera generación de materiales semiconductores es: primero se utilizó germanio, luego se cambió de germanio a silicio y fue reemplazado casi por completo.
Las razones son: ① La producción de silicio es relativamente grande y tiene una ventaja de costos. ②El desarrollo tecnológico es más completo.
Sin embargo, por debajo de los 40 nanómetros, la aplicación del germanio ha vuelto a surgir, porque los canales de germanio-silicio pueden permitir que los electrones fluyan más rápido. El silicio germanio utilizado actualmente se utiliza en materiales de canales especiales, y en el futuro se incluirá la aplicación de carbono, que se explicará en detalle a continuación.
② Materiales semiconductores de segunda generación: Representados por el arseniuro de galio (GaAs) y el antimoniuro de indio (InSb), son los materiales de la mayoría de los equipos de comunicación en la era 4G.
Época de aparición: Desde la década de 1990, con el rápido desarrollo de las comunicaciones móviles, el auge de las autopistas de la información basadas en las comunicaciones por fibra óptica e Internet, representadas por el arseniuro de galio y el antimonuro de indio. Los materiales semiconductores de segunda generación son empezando a emerger.
Materiales representativos: como arseniuro de galio (GaAs), antimonuro de indio (InSb); semiconductores compuestos ternarios, como GaAsAl, GaAsP y algunos semiconductores en solución sólida, como Ge-Si, GaAs-GaP; Semiconductores de vidrio (también conocidos como semiconductores amorfos), como silicio amorfo, semiconductores de óxido vítreo, como ftalocianina, ftalocianina de cobre, poliacrilonitrilo, etc.
Campos de aplicación: Se utiliza principalmente para fabricar dispositivos electrónicos de alta velocidad, alta frecuencia, alta potencia y emisores de luz. Es un material excelente para fabricar dispositivos de microondas, ondas milimétricas y luz de alto rendimiento. -Dispositivos emisores.
Debido al auge de la autopista de la información e Internet, también se utiliza ampliamente en campos como las comunicaciones por satélite, las comunicaciones móviles, las comunicaciones ópticas y la navegación GPS.
Mejora del rendimiento: tomemos el arseniuro de galio como ejemplo, en comparación con los semiconductores de primera generación, el arseniuro de galio tiene las características de alta frecuencia, resistencia a la radiación y resistencia a altas temperaturas.
Resumen: La segunda generación utiliza composites. Es decir, los materiales semiconductores compuestos como el arseniuro de galio y el fosfuro de indio se utilizan comúnmente en nuestras vidas y se pueden utilizar en el campo de los amplificadores de potencia.
¡Pero porque el arsénico es altamente tóxico! Por lo tanto, su uso ahora está prohibido en muchos lugares y la aplicación de arseniuro de galio solo se limita al campo de la potencia de los amplificadores de potencia de alta velocidad. El fosfuro de indio se puede utilizar para fabricar dispositivos emisores de luz, como los LED.
③La tercera generación de materiales semiconductores: el nitruro de galio (GaN), el carburo de silicio (SiC), el óxido de zinc (ZnO) y el diamante son los cuatro principales representantes y son los principales materiales en la era 5G.
Época de origen: El país M había desarrollado los primeros materiales y dispositivos de nitruro de galio ya en 1993. El primer equipo de investigación de mi país, el Instituto de Semiconductores de la Academia de Ciencias de China, también inició investigaciones en esta área en 1995.
Puntos clave: Cuando el mercado comenzó a especular sobre los cargadores de nitruro de galio hace medio año, la respuesta del mercado no ha sido lo suficientemente fuerte. Esto se debe a que los semiconductores de tercera generación aún no se han incluido en el mercado nacional. 14º Plan Quinquenal". En términos de despliegue estratégico, ¡el concepto de nitruro de galio por sí solo no es suficiente para respaldar toda la lógica del mercado!
Estado de desarrollo: Impulsados por la clara demanda de comunicaciones 5G, vehículos de nuevas energías, inversores fotovoltaicos y otras aplicaciones, actualmente, empresas líderes en el campo de aplicaciones han comenzado a utilizar tecnología de semiconductores de tercera generación, que también ha mejorado aún más Ha impulsado la confianza de la industria y la inversión firme en la ruta de la tecnología de semiconductores de tercera generación.
Mejora del rendimiento: no entraremos en detalles sobre los términos profesionales. En términos sencillos, con la tercera generación de materiales semiconductores, han aparecido mejores compuestos. Las ventajas de rendimiento radican en la resistencia a alta presión y alta temperatura. Resistencia, alta potencia, tiene mayor resistencia a la radiación y conductividad eléctrica, velocidad de trabajo más rápida y menor pérdida de trabajo.
Una cosa que creo que debe mencionarse por separado: en comparación con el carburo de silicio y el nitruro de galio, el carburo de silicio se desarrolló antes y tiene una mayor madurez tecnológica; existe una gran diferencia entre los dos: En aplicaciones de alta potencia, domina el carburo de silicio; el nitruro de galio tiene una mayor movilidad de electrones y, por lo tanto, puede tener velocidades de conmutación más altas que el carburo de silicio, por lo que en aplicaciones de alta frecuencia, el nitruro de galio tiene ventajas.
Aplicaciones de los semiconductores de tercera generación.
Centrémonos en el carburo de silicio. El carburo de silicio se usa ampliamente en campos civiles: transmisión y transformación de energía CC y CA, detección y control de temperatura en vehículos eléctricos, electrónica de consumo, nuevas energías, transporte ferroviario y otros campos.
Pongamos dos ejemplos típicos:
1. En 2015, el auto de prueba Camry de Toyota Motor utilizó MOSFET de carburo de silicio y la pérdida de conmutación del inversor se redujo en un 30%.
2. En 2016, Mitsubishi Electric utilizó carburo de silicio en el inversor y desarrolló el motor más pequeño del mundo.
En otros campos militares, el carburo de silicio se utiliza ampliamente en pruebas de temperatura y presión de motores a reacción, motores de tanques, motores de barcos, túneles de viento y proyectiles de naves espaciales.
¿Por qué digo que deberíamos centrarnos en el carburo de silicio? Porque la piedra angular de la industria de los semiconductores es el chip, y el carburo de silicio, precisamente debido a sus propiedades físicas superiores, debe ser el material básico más utilizado en la fabricación de chips semiconductores en el futuro.
① Propiedades físicas superiores: alta banda prohibida (correspondiente a un alto campo eléctrico de ruptura y alta densidad de potencia), alta conductividad eléctrica y alta conductividad térmica. Además, los MOSFET de carburo de silicio coexistirán con los IGBT basados en silicio durante mucho tiempo y son más adecuados para aplicaciones en campos de alta potencia, alta frecuencia y alta velocidad.
②Aquí se intercala una palabra extraña: "ancho de banda".
Si se explica esto, conducirá a una serie de conceptos como "banda de energía" y "banda guía". Si realmente no te gusta, no creo que sea necesario. Estúdielos solo en el sector de la industria de semiconductores de tercera generación, si conoce esta palabra, ya ha superado a más del 90% de las pequeñas empresas.
Objetivamente, recordemos un punto importante: para los materiales semiconductores de tercera generación, cuanto mayor sea la banda prohibida, más ventajoso será.
③Forma principal: “sustrato”. Los chips semiconductores se dividen a su vez en: circuitos integrados y dispositivos discretos. Sin embargo, ya sea un circuito integrado o un dispositivo discreto, su estructura básica se puede dividir en una estructura de "sustrato-dispositivo epitaxial", y la forma principal del carburo de silicio en los semiconductores es como material de sustrato.
④Flujo del proceso de producción:
Síntesis de materia prima - crecimiento de cristales - procesamiento de lingotes - corte de cristales - molienda de obleas - pulido de obleas - inspección de obleas - limpieza de obleas
Resumen : Cuanto mayor sea el tamaño de la oblea, más difícil será la tecnología de procesamiento y crecimiento del cristal correspondiente, mientras que la eficiencia de fabricación de los dispositivos posteriores será mayor y el costo unitario será menor.
En la actualidad, los fabricantes internacionales de obleas de carburo de silicio proporcionan principalmente obleas de carburo de silicio de 4 a 6 pulgadas, y empresas internacionales líderes como CREE y II-VI han comenzado a invertir en la construcción de líneas de producción de obleas de carburo de silicio de 8 pulgadas.
⑤ Dirección de la aplicación: después de popularizar el conocimiento científico y hablar sobre producción y fabricación, todavía depende de cómo usar esto. Dos palabras clave: dispositivos de energía y dispositivos de radiofrecuencia.
Dispositivos de energía: ¡la aplicación posterior más importante son los vehículos de nueva energía!
Soluciones técnicas existentes: cada vehículo de nueva energía utiliza dispositivos de energía por un valor aproximado de entre 700 y 1.000 dólares estadounidenses. Con el desarrollo de vehículos de nueva energía, la demanda de dispositivos de potencia aumenta día a día, convirtiéndose en un nuevo punto de crecimiento para los dispositivos semiconductores de potencia.
En la arquitectura del sistema de automóvil de nueva energía, los dispositivos de energía involucrados incluyen: sistema de accionamiento del motor, sistema de carga a bordo (OBC), sistema de conversión de energía (CC/CC a bordo) y carga fuera de borda. hemorroides. Los dispositivos de potencia de carburo de silicio se utilizan en inversores principales en sistemas de accionamiento de motores.
Además, los campos de aplicación también incluyen generación de energía fotovoltaica, transporte ferroviario, redes inteligentes, generación de energía eólica, suministro de energía industrial, aeroespacial y otros campos.
Dispositivos de radiofrecuencia: ¡la aplicación descendente más importante es la estación base 5G!
Los dispositivos de radiofrecuencia por microondas incluyen principalmente: interruptores de radiofrecuencia, LNA, amplificadores de potencia y filtros. Las estaciones base 5G son la principal dirección de aplicación de los dispositivos de radiofrecuencia.
Escala futura: ¡La llegada de la era 5G traerá un nuevo impulso de crecimiento a los dispositivos de radiofrecuencia! El mercado mundial de dispositivos de RF superará los 25.000 millones de dólares en 2025. Actualmente, nuestro país es líder mundial en construcción de 5G, por lo que los golden retriever del otro lado saltan el muro a toda prisa.
Mi país planea construir entre 3,6 millones y 4,92 millones de macroestaciones base 5G en el futuro, y esta escala es entre 1,1 y 1,5 veces mayor que la de las macroestaciones base 4G. En la actualidad, en nuestro país se han construido alrededor de 400.000 macroestaciones base 5G y todavía hay mucho margen de crecimiento en el futuro.
El núcleo de la industria de los semiconductores
Creo que muchos clientes deben tener esta pregunta: ¿Cuál es la diferencia entre chips, semiconductores y circuitos integrados?
1. Semiconductor:
En cuanto a los materiales, el libro de texto lo describe de esta manera: Un semiconductor es un tipo de material cuya conductividad a temperatura ambiente está entre la de un conductor y la de un aislante. ;
Según su estructura funcional, la industria de los semiconductores se puede dividir en cuatro categorías: circuitos integrados (núcleo), dispositivos discretos, dispositivos optoelectrónicos y sensores.
2. Circuito integrado (IC, circuito integrado):
La definición más clásica es: componentes activos como transistores, diodos y componentes pasivos como resistencias y condensadores, según ciertas interconexiones de circuitos, están "integradas" en un solo chip semiconductor para completar funciones específicas de circuito o sistema.
3. Chip:
El término general para productos componentes semiconductores se refiere a la oblea de silicio que contiene los circuitos integrados, es el soporte de los circuitos integrados y se divide de las obleas. Una oblea de silicio es una pequeña pieza de silicio que contiene un circuito integrado y forma parte de una computadora u otro dispositivo electrónico.
¿Por qué los circuitos integrados son el núcleo de la industria de los semiconductores? Esto se debe a que la proporción de ventas de circuitos integrados se ha mantenido básicamente en el 80% de las ventas de semiconductores.
Por ejemplo, de las ventas mundiales de semiconductores de 470 mil millones de dólares en 2018, los circuitos integrados representaron 390 mil millones de dólares, lo que representa el 84%.
La dirección futura de los semiconductores de tercera generación
Es una tendencia general para la industria de semiconductores de China entrar en el modelo IDM, y reconozco plenamente su sostenibilidad a largo plazo. Pero cuando se trata de IDM, hay muchos conceptos que son muy fáciles de confundir. La longitud es realmente demasiado larga, por lo que no los desglosaremos. ¡Solo necesitas saber que IDM es el más asombroso!
IDM: Traducción literal: Diseño y Fabricación Integrados, fabricación integrada verticalmente.
1. Empresa IDM: el modelo de negocio IDM es el modelo internacional de fabricante de componentes integrados.
El ámbito comercial de sus fabricantes cubre todos los aspectos del diseño de circuitos integrados, la fabricación, el embalaje y las pruebas de circuitos integrados, e incluso se extiende a los terminales electrónicos posteriores. Fabricantes típicos: Intel, Samsung, TI (Texas Instruments), Toshiba, ST (STMicroelectronics), etc.
2. Ventajas del modelo IDM:
(1) Las empresas en el modelo IDM tienen ventajas de integración de recursos internos y el tiempo requerido desde el diseño de IC hasta su fabricación es más corto.
(2) Las empresas de IDM obtienen beneficios relativamente elevados. Según el principio de la "curva de la sonrisa", el diseño y desarrollo de productos más avanzados y la marca y el marketing más finales tienen los márgenes de beneficio más altos, mientras que los enlaces intermedios de fabricación, embalaje y prueba tienen márgenes de beneficio más bajos.
(3) Las empresas IDM tienen ventajas tecnológicas. La mayoría de las empresas de IDM tienen su propia propiedad intelectual (PI), capacidades de desarrollo tecnológico relativamente sólidas y liderazgo tecnológico.
3. Importancia de IDM
La importancia de IDM no necesita juzgarse de manera lógica. El 60% del mercado mundial de circuitos integrados está controlado por empresas de IDM. Como Samsung Electronics, NXP, Infineon, NXP, etc.
4. ¿Por qué China quiere desarrollar el modelo IDM?
Ventajas del modelo IDM: Integración directa dentro de la cadena industrial, economías de escala, acortamiento efectivo del tiempo de comercialización de nuevos productos y mantenimiento de las ganancias dentro de la empresa.
Selección natural del mercado: Además, China se ha convertido en el mercado consumidor de circuitos integrados más grande del mundo y cuenta con abundantes recursos laborales y ventajas de mercado y costos para desarrollar su propia marca de IDM.
Ahora, ya sea que nos veamos obligados a salir por el bloqueo del país M, o que tomemos nuestras propias decisiones, ¡debemos abrir un camino para el desarrollo del IDM de China!
Situación actual: actualmente, los llamados IDM actualmente en China tienen niveles de proceso de fabricación y capacidades de diseño muy bajos, y están relativamente concentrados en semiconductores de potencia, sus aplicaciones de productos son limitadas y su escala no es grande. Sé que es deprimente decir estos hechos, pero son los hechos.
Pero precisamente porque actualmente nos encontramos en una etapa relativamente atrasada, ¡tenemos que trabajar duro, apretar los dientes, ponernos al día y ganar de una sola vez!
Al principio no quería hablar de acciones cuando escribí este artículo, pero será mejor que mencione algunas, que pueden considerarse como una pequeña contribución a la industria de semiconductores de nuestro país.
Objetivos de alta calidad relacionados con radiofrecuencia: Zhuosheng Micro, Zhongtian Technology, Heertai, Maijie Technology
Objetivos de alta calidad relacionados con IDM: Zhonghuan; Tecnología, Shanghai Belling, Tecnología Changdian.