¿Qué son los semiconductores de tercera generación? Paquete, puedes leer.

Semiconductor de tercera generación

Estimo que cualquiera que sea un comerciante de acciones o un amigo que preste atención al mercado secundario debe haber escuchado mucho esta palabra estos días. Si no fuera por el mercado en general, hoy en día sería miserable. Se estima que el mercado publicitario será mucho más fuerte de lo que es ahora.

¿Qué es exactamente el llamado semiconductor de tercera generación? ¿Vale la pena freír? ¿Dónde está la lógica para el futuro?

A continuación, siempre que tengas paciencia para leer, te garantizo que todos los que escriban podrán entenderlo. ¡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 recordaron una palabra clave: material, que es la mayor diferencia entre las tres generaciones de semiconductores.

2. Una 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 ascenso: años 50.

Materiales representativos: materiales semiconductores de silicio (Si) y germanio (Ge).

Campos de aplicación: circuitos integrados, ingeniería de redes de información electrónica, computadoras, 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 de la microelectrónica con circuitos integrados (CI) como núcleo.

Para la primera generación de materiales semiconductores, una comprensión simple es que primero se usó germanio y luego se cambió de germanio a silicio, que fue reemplazado casi por completo.

Las razones son las siguientes: ① La producción de silicio es relativamente grande y tiene una ventaja de costos. ②El desarrollo tecnológico es más completo.

Pero por debajo de los 40 nanómetros, la aplicación del germanio ha vuelto a surgir, porque el canal germanio-silicio puede permitir que los electrones fluyan más rápido. El silicio germanio que se utiliza actualmente se utilizará 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 auge: Desde los años 90, con el auge de las comunicaciones móviles, las autopistas de la información basadas en comunicaciones por fibra óptica e Internet, aparecen materiales semiconductores de segunda generación, como el arseniuro de galio, el antimoniuro de indio, etc. empieza a aparecer.

Materiales representativos: como arseniuro de galio (GaAs), antimonuro de indio (InSb); semiconductores compuestos ternarios, como GaAsAl y GaAsP; y algunos semiconductores en solución sólida, como Ge-Si y GaAs-GaP; . Semiconductores de vidrio (también conocidos como semiconductores amorfos), como semiconductores de silicio amorfo y óxido vítreo, semiconductores orgánicos, como ftalocianina, ftalocianina de cobre, poliacrilonitrilo, etc.

Usos: Se utiliza principalmente para fabricar dispositivos electrónicos luminiscentes de alta velocidad, alta frecuencia y alta potencia. Es un material excelente para fabricar dispositivos de microondas, de ondas milimétricas y dispositivos emisores de luz de alto rendimiento. .

Debido al auge de la autopista de la información e Internet, también se utiliza ampliamente en comunicaciones por satélite, comunicaciones móviles, comunicaciones ópticas y 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: Compuestos de uso de segunda generación. Es decir, los materiales semiconductores compuestos comúnmente utilizados en nuestras vidas, como el arseniuro de galio, el fosfuro de indio, etc., se pueden utilizar en el campo de los amplificadores de potencia. Al principio, eran relativamente rápidos.

¡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 sólo se limita al campo de los amplificadores de potencia de alta velocidad. El fosfuro de indio se puede utilizar en dispositivos emisores de luz como los LED.

③La tercera generación de materiales semiconductores: representada por el nitruro de galio (GaN), el carburo de silicio (SiC), el óxido de zinc (ZnO) y el diamante, son los principales materiales de la era 5G.

Tiempo de origen: Ya en 1993, el País M había desarrollado el primer material y dispositivo de nitruro de galio. El primer equipo de investigación de China, el Instituto de Semiconductores de la Academia de Ciencias de China, también inició investigaciones en esta área en 1995.

Puntos clave: Cuando los cargadores de nitruro de galio se hicieron populares en el mercado hace medio año, la respuesta del mercado no fue lo suficientemente fuerte porque los semiconductores de tercera generación aún no se habían incluido en el “14º Plan Quinquenal” nacional. ”Estrategia de implementación, por lo que el concepto de nitruro de galio por sí solo no es suficiente para respaldar toda la lógica del mercado.

Estado de desarrollo: Impulsadas por la clara demanda de comunicaciones 5G, vehículos de nueva energía, inversores fotovoltaicos y otras aplicaciones, las empresas líderes en el campo de aplicaciones actual han comenzado a utilizar tecnología de semiconductores de tercera generación, impulsando aún más la confianza de la industria. y una inversión firme en la ruta de la tecnología de semiconductores de tercera generación.

Mejora de rendimiento: no entraremos en detalles sobre los términos técnicos. En general, en la tercera generación de materiales semiconductores, han surgido mejores compuestos. Sus ventajas de rendimiento incluyen resistencia a altos voltajes, resistencia a altas temperaturas, alta potencia, resistencia a la radiación, mayor conductividad, mayor velocidad de trabajo y menor pérdida de trabajo.

Creo que hay una cosa que debe mencionarse por separado: en comparación con el nitruro de galio, el carburo de silicio se desarrolló antes y tiene una mayor madurez tecnológica; una de las principales diferencias entre ellos es la conductividad térmica: 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 cambiar a velocidades más altas que el carburo de silicio, lo que le otorga una ventaja en aplicaciones de alta frecuencia.

Aplicaciones de los semiconductores de tercera generación

Centrémonos en el carburo de silicio. El carburo de silicio se usa ampliamente en campos civiles, incluida la 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.

Les daré dos ejemplos típicos:

1. En 2015, el auto de prueba Camry de Toyota usó MOSFET de carburo de silicio y la pérdida de conmutación del inversor se redujo en un 30 %.

En 2016, Mitsubishi Electric desarrolló el motor más pequeño del mundo utilizando carburo de silicio en el inversor.

En otros campos militares, el carburo de silicio se utiliza ampliamente para pruebas de temperatura y presión de motores a reacción, motores de tanques, motores navales, túneles de viento y carcasas de naves espaciales.

¿Por qué digo que debemos prestar atención al carburo de silicio? Porque la piedra angular de la industria de los semiconductores son los chips, y el carburo de silicio definitivamente será el material básico más utilizado para fabricar chips semiconductores en el futuro debido a sus propiedades físicas superiores.

①Excelentes propiedades físicas: 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 campos de alta potencia, alta frecuencia y alta velocidad.

Aquí se intercala una palabra extraña: “ancho de banda”. ¿Qué diablos es esto?

Para explicar esto, tenemos que derivar una serie de conceptos como "banda de energía" y "banda de conducción". Si realmente no te gusta, no creo que sea necesario estudiarlo. Hablando solo del sector de la industria de semiconductores de tercera generación, si conoce esta palabra, ya ha superado más del 90%.

Hablando objetivamente, hay un punto principal a recordar: para los materiales semiconductores de tercera generación, cuanto mayor sea la banda prohibida, más ventajoso será.

③Forma principal: "sustrato". Los chips semiconductores se dividen 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". La forma principal del carburo de silicio en los semiconductores es como material de sustrato.

(4) 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 es el tamaño de la oblea, más difícil es cultivar y procesar los cristales correspondientes, mientras que cuanto mayor es la eficiencia de fabricación de los dispositivos posteriores, menor es el coste unitario. 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.

⑤Dirección de la aplicación: una vez que el conocimiento se populariza y fabrica, depende de cómo se utiliza. Dos palabras clave: dispositivos de potencia y dispositivos de radiofrecuencia.

Dispositivos de energía: ¡la aplicación posterior más importante son los vehículos de nueva energía!

Según las soluciones técnicas existentes, la unidad de potencia utilizada por cada vehículo de nueva energía vale aproximadamente entre 700 y 1.000 dólares estadounidenses. Con el desarrollo de vehículos de nueva energía, la demanda de dispositivos de potencia está aumentando, convirtiéndose en un nuevo punto de crecimiento para los dispositivos semiconductores de potencia.

En la arquitectura del sistema de vehículos de nueva energía, los dispositivos de energía involucrados incluyen sistemas de accionamiento de motores, sistemas de carga a bordo (OBC), sistemas de conversión de energía (CC/CC a bordo) y pilas de carga externas. .

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.

Equipos de radiofrecuencia: ¡la aplicación downstream más importante es la estación base 5G!

Los dispositivos de RF para microondas incluyen principalmente interruptores de RF, LNA, amplificadores de potencia y filtros. Las estaciones base 5G son la principal dirección de aplicación de los equipos de radiofrecuencia.

Escala futura: ¡La llegada de la era 5G traerá un nuevo impulso de crecimiento a los dispositivos de radiofrecuencia! En 2025, el mercado mundial de equipos de radiofrecuencia superará los 25.000 millones de dólares. Actualmente, China lidera el mundo en la construcción de 5G, razón por la cual Jinmao, por otro lado, ahora está desesperado.

China planea construir entre 3,60 y 4,92 millones de macroestaciones base 5G en el futuro, lo que supone entre 1,1 y 1,5 veces más que las macroestaciones base 4G. En la actualidad, China ha construido aproximadamente 400.000 macroestaciones base 5G y todavía hay mucho espacio para crecer en el futuro.

El núcleo de la industria de los semiconductores

Creo que muchos funcionarios invitados deben tener esta pregunta: ¿Cuál es la diferencia entre chips, semiconductores y circuitos integrados?

1. Semiconductor:

En cuanto a materiales, el libro de texto lo describe así: un semiconductor es un 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 principales: circuitos integrados (núcleo), dispositivos discretos, dispositivos optoelectrónicos y sensores.

2. Circuito integrado (CI):

La definición más clásica es la interconexión de componentes activos como transistores y diodos, y componentes pasivos como resistencias y condensadores según un determinado. Método de interconexión de circuitos "integrados" en un solo chip semiconductor para completar una función específica de un circuito o sistema.

3. Chip:

El nombre general de productos componentes semiconductores se refiere a la oblea de silicio que contiene circuitos integrados, que es el portador de los circuitos integrados y está separado de la oblea. Una oblea es una pequeña pieza de silicio que contiene circuitos integrados 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 los 470 mil millones de dólares en ventas globales de semiconductores en 2018, los circuitos integrados sumaron 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 estoy muy de acuerdo con su sostenibilidad a largo plazo. Pero cuando se trata de IDM, hay muchos conceptos muy confusos. Es demasiado largo, así que no lo dividiré. ¡Solo necesitas saber que IDM es el mejor!

IDM: traducción literal: diseño y fabricación integrados, fabricación integrada verticalmente.

1. Empresa IDM: el modelo de negocio IDM es un modelo internacional de fabricante de componentes integrados. El ámbito comercial de sus fabricantes cubre el 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.

Ventajas de 2.2. Modelo IDM:

(1) Las empresas en el modelo IDM tienen la ventaja de integrar recursos internos y el tiempo requerido desde el diseño de circuitos integrados hasta su fabricación es corto.

(2) Las empresas de IDM tienen mayores beneficios. Según el principio de la "curva de la sonrisa", el diseño, el desarrollo, la marca y el marketing del producto inicial 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 (derechos de propiedad intelectual), sólidas capacidades de desarrollo tecnológico y ventajas tecnológicas líderes.

La importancia del 3.3. Miocardiopatía idiopática

La importancia de IDM no necesita ser juzgada por la lógica. El 60% del mercado mundial de circuitos integrados está controlado por empresas de IDM. Por ejemplo, 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 puntos de 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 con abundantes recursos laborales. El desarrollo de la marca independiente IDM tiene ventajas de mercado y de costos.

Ahora, ya sea que seamos expulsados ​​por el bloqueo del país M o que elijamos de forma independiente, ¡debemos abrir un camino para el desarrollo de IDM en China!

Situación actual: En la actualidad, el llamado IDM en China tiene un bajo nivel de tecnología de fabricación y capacidades de diseño, centrándose en semiconductores de potencia, con aplicaciones de productos limitadas y de pequeña escala. Sé que es frustrante decir esto, pero es la verdad.

Pero precisamente porque actualmente estamos 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 aún así quería mencionar algunas, que pueden considerarse como una pequeña contribución a la industria de semiconductores de nuestro país.

Estándares de calidad relacionados con RF: Zhuoshengwei, Zhongtian Technology, Holtai, Maijie Technology;

Estándares de calidad relacionados con IDM: Zhonghuan, Shanghai Belling, Changdian Technology.