工作和興趣都在芯片行業，所以需要系統整理一下思路，本文只言簡意賅的闡述三個問題：1) 三代半導體材料；2)?半導體器件的產品功能分類：集成電路、光電器件、分立器件和傳感器四個領域；半導體之集成電路的功能分類：邏輯器件、存儲器件、微處理器、模擬器件；3)?半導體產業鏈全景。

雖然讀書甚多，但很膚淺且雜亂，甚至沒做筆記，漏了許多資料來源，寫得也不盡如人意，非常羞愧，不過自信學習能力是從無到有，會慢慢進步的。

導體、半導體、絕緣體之間的差別就是導電能力的不同，通常用電阻率的大小來區分，但三者之間沒有絕對的界限。半導體是一類材料的總稱，特指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料，常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等。

半導體材料

硅和鍺是最常見的元素半導體，化合物半導體包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化鎵等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物（硫化鋅等）、氧化物（錳、鉻、鐵、銅等的氧化物）、Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷或稱砷化鋁鎵），此外還有玻璃半導體、有機半導體等非晶態半導體。

從行業習慣來說，不是所有以半導體為材料做成的元器件都稱為半導體器件。

第一代半導體材料主要是指硅（Si）和鍺（Ge）。硅是第一代半導體的代表，同時也是各種半導體材料應用中最具有影響力的一種，構成了一切邏輯器件的基礎，在集成電路、網絡、電腦、手機、電視、航空航天、軍工和新能源、硅光伏產業中都得到了極為廣泛的應用，硅芯片在人類社會的每一個角落無不閃爍著它的光輝。

第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）；三元化合物半導體，如GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導體，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半導體（又稱非晶態半導體），如非晶硅、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。砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）是第二代半導體的代表，其中GaAs在射頻功放器件中扮演重要角色，InP在光通信器件中應用廣泛。

第三代半導體是指以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導體材料，主要應用在半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器等領域。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）是第三代半導體的代表，具有寬禁帶、高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特性，適用于射頻、功率等領域的特性要求，射頻器件主要采用GaN，功率器件主要采用SiC和GaN。

世間并不存在十全十美的半導體，能被業界選中并廣泛使用的，都是在各個性能指標之間平衡的結果：頻率、功率、耐壓、溫度……而且，就算各個指標表現優異，還得考慮制造工藝復雜性和成本。

自從人類1947年發明晶體管以來，50多年間半導體技術經歷了硅晶體管、集成電路、超大規模集成電路、甚大規模集成電路等幾代，發展速度之快是其他產業所沒有的。半導體技術對整個社會產生了廣泛的影響。

半導體的功能分類

半導體從產品功能劃分，有：集成電路、光電器件、分立器件和傳感器四個領域，其中規模最大的是集成電路。據 WSTS 統計數據，2019 年這四種產品的市場規模分別為 3334 億美元、416 億美元、239 億美元和 135 億美元，占比分別為 81%、10%、6%和 3%。

廣義芯片包括集成電路、分立器件、光電子器件、傳感器，狹義芯片單指集成電路。

集成電路按照功能分為四大類：邏輯器件、存儲器件、微處理器、模擬器件，根據 WSTS 數據，2019 年這四種集成電路芯片的市場規模分別為 1065 億美元、1064 億美元、664 億美元和 539 億美元，占比分別為 32%、32%、20%和 16%。

分立器件

分立器件（Discrete Devices）就是具有單一功能的電路基本元件，如電阻、電容、電感、晶體管等，此前做元器件時寫過一篇，主要講是電容，其余晶體管和功率半導體器件，也是半導體中非常重要的組成部分。

晶體管（Transistor）泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件，包括二極管、三極管、場效應管、晶閘管等，具有檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調制等多種功能。

功率半導體器件又被稱為電力電子器件，是電力電子技術的基礎，也是構成電力電子變換裝置的核心器件。

功率半導體器件按集成程度可分為功率IC和功率半導體分立器件。功率IC是將功率分立器件與驅動、保護等電路集成在一個半導體晶片上；功率分立器件可分為功率二極管、晶體管、晶閘管三大類別，晶體管中的MOSFET、IGBT、BJT應用最廣泛。

2019年全球功率半導體市場結構中，功率IC、MOSFET、IGBT、二極管是四種運用最為廣泛的功率半導體產品，四者分別占比54%、16%、12%、15%。功率IC中，DC/DC轉換器應用最為廣泛，占比達到51%。

集成電路

與分立器件對應，集成電路（Integrated Circuit）就是把基本的電路元件如晶體管、二極管、電阻、電容、電感等制作在一個小型晶片上然后封裝起來形成具有一定功能的單元。

集成電路是用半導體材料制成的電路的大型集合，它占據了半導體行業80%以上的份額，所以偶爾會以半導體代指集成電路；芯片是由不同種類型的集成電路或者單一類型集成電路形成的產品。

光電器件

光電器件（Photoelectric Device）是指能使光和電互相轉化的新型半導體器件，即利用半導體的光電效應（或熱電效應）制成的器件，主要類型有：利用半導體光敏特性工作的光電導器件（如光敏電阻、光電二極管和三極管等）、利用半導體光伏效應（Photo Voltaic Effect）工作的光電池和將電能轉換成光能的發光器件等；此外還有把半導體發光器件和光敏器件組合封閉裝在一起，組成的具有電-光-電轉換功能的光電耦合器，用作光電開關，因為不存在繼電器中機械點易疲勞的問題，所以可靠性很高。

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術，目前在我國應用非常廣泛。

發光二極管加電后可以將電能轉換成光能。發光二極管的發光顏色（波長）因半導體材料及摻雜成分不同而不同。常用的有黃、綠、紅等顏色的發光二極管。如氮化鎵（GaN）被選出來作半導體材料的初衷，就是為了藍光 LED 。

傳感器

傳感器（transducer/sensor）是一種新型半導體器件，它能夠能實現電、光、溫度、聲、位移、壓力等物理量之間的相互轉換；傳感器的主要工作就是將非電信號轉換成電信號，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，適合計算機的要求，所以被廣泛應用于自動化檢測系統中；其特點包括：微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化。

傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環節，根據其基本感知功能，分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

傳感器一般由敏感元件、轉換元件、變換電路和輔助電源四部分組成：

如圖所示，敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量有確定關系的物理量信號；轉換元件將敏感元件輸出的物理量信號轉換為電信號；變換電路負責對轉換元件輸出的電信號進行放大調制；轉換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電。傳感器的微型化建立在微電子機械系統（MEMS）技術基礎上。

半導體傳感器的應用領域廣泛，包括工業自動化、遙測、工業機器人、家用電器、環境污染監測、醫療保健、醫藥工程和生物工程。

集成電路的四大類

廣義上我們統稱集成電路為芯片，通常芯片都是如圖所見的手指甲大小的黑盒子，這種都是封裝好的：

集成電路可以把模擬和數字電路集成在一個單芯片上，做出如模擬數字轉換器和數字模擬轉換器等器件。

微處理器

具有中央處理器功能的大規模集成電路器件，被統稱為微處理器（Micro Processor），中央處理器（central processing unit，CPU）是指計算機內部對數據進行處理并對處理過程進行控制的部件，伴隨著大規模集成電路技術的迅速發展，芯片集成密度越來越高，CPU可以集成在一個半導體芯片上。

微處理器無處不在，無論是錄像機、智能洗衣機、移動電話等家電產品，還是汽車引擎控制，以及數控機床、導彈精確制導等都要嵌入各類不同的微處理器，它不僅是微型計算機的核心部件，也是各種數字化智能設備的關鍵部件。

微處理器由算術邏輯單元（ALU，ArithmeTIc Logical Unit）、累加器和通用寄存器組、程序計數器、時序和控制邏輯部件、數據與地址鎖存器/緩沖器、內部總線等組成，其中運算器和控制器是其主要組成部分，如下圖。

微處理器大致可以分為三類：通用高性能微處理器、嵌入式微處理器和微控制器。一般而言，通用處理器追求高性能，它們用于運行通用軟件，配備完備、復雜的操作系統；嵌入式微處理器強調處理特定應用問題的高性能，主要用于運行面向特定領域的專用程序，配備輕量級操作系統，主要用于蜂窩電話、CD播放機等消費類家電；微控制器價位相對較低，在微處理器市場上需求量最大，主要用于汽車、空調、自動機械等領域的自控設備。

廣義來說，一臺計算機（PC或手機等）內部包含的CPU數量不會少于10個，其中：北橋、南橋、GPU、硬盤、SSD、基帶芯片里面都不止一個CPU，作為任務調度的控制器，只不過這些CPU對程序與用戶來說都是透明的。

微處理器包括MCU、MPU、CPU、GPU、DSP等，其發展史、指令集架構、微架構、處理器架構、CPU架構、內核等學習筆記，單開一章也不一定能寫完。

存儲芯片

存儲芯片可以說是大數據時代的基石，計算機中的原始數據、計算機程序、中間運行結果和最終運行結果都保存在存儲器中，手機、平板、PC和服務器等產品都會用到存儲芯片。報告顯示，存儲芯片是半導體產業的重要分支，約占全球半導體市場的三分之一，被韓國和美國三大存儲器公司壟斷，韓國三星、SK海力士、美光占據了全球市場份額的95%。上一篇文章就是的，寫得很匆忙，希望有機會重寫一遍。

邏輯芯片

計算類芯片（邏輯電路）按照產業鏈劃分，有設備、材料、集成電路設計、晶圓代工和封裝測試五大領域，我國大陸芯片公司只占5%的市場份額，且處于芯片產業鏈的低端，從芯片產業的基礎軟件、底層架構、光刻膠及配套試劑等芯片材料，再到高端顯示芯片、基礎操作系統、集成電路專用裝備和高精度加工設備，我國都依賴進口。

模擬芯片

用來處理模擬信號的集成電路，也就是模擬電路芯片，在汽車電子領域和5G時代的物聯網中得以廣泛應用。但全球模擬電路芯片的高端市場主要由ADI、TI等美國廠商占據，我國在高端的核心模擬電路芯片，比如高速數模轉換芯片、射頻芯片等方面對外依賴度較高。

1）放大電路：用于信號的電壓、電流或功率放大。

2）濾波電路：用于信號的提取、變換或抗干擾。

3）運算電路：完成信號的比例、加、減、乘、除、積分、微分、對數、指數等運算。

4）信號轉換電路：電流與電壓信號的轉換、直流與交流信號的轉換等。

5）信號發生電路：用于產生正弦波、矩形波、三角波、鋸齒波等。

半導體產業鏈全景

半導體產業鏈可以劃分為上游、中游和下游：上游包括半導體材料、生產設備、EDA、IP核；中游包括設計、制造、封測三大環節；下游主要為半導體應用，例如3C（計算機、通信、消費類電子）、醫療、物聯網、信息安全、汽車、新能源、工業等。

1990s，臺積電開啟了晶圓代工（Foundry）模式，無產線的設計公司（Fabless）紛紛成立，垂直分工成為全球性趨勢，形成設計（Fabless）→制造（Foundry）→封測（OSAT）三大環節的垂直分工。

參考文章

01.，從半導體概念到分類再到下游應用進行了全面分析。

02.，半導體的概念、發展簡史、產業鏈全景等角度進行了系統介紹，比上面八篇系列文章要簡潔。

03.，從EDA使用角度對芯片的設計流程進行了解析。汽車電子領域和5G時代的物聯網中得以廣泛應用。