一、簡介

半導體指常溫下(xià)導電性能介于導體與絕緣體之間的(de)材料。

半導體在集成電路、消費電子、通(tōng)信系統、光(guāng)伏發電、照(zhào)明(míng)、大(dà)功率電源轉換等領域都有應用(yòng)，如二極管就是采用(yòng)半導體制作的(de)器件。

大(dà)部分(fēn)的(de)電子産品，如計算(suàn)機、智能手機等或是數字錄音(yīn)機當中的(de)核心單元都和(hé)半導體有著(zhe)極爲密切的(de)關聯。

常見的(de)半導體材料有矽、鍺、砷化(huà)镓等，矽是各種半導體材料應用(yòng)中最具有影(yǐng)響力的(de)一種。

無論從科技或是經濟發展的(de)角度來(lái)看，半導體的(de)重要性都是非常巨大(dà)的(de)。

二、發現曆史

1833年，英國科學家電子學之父法拉第最先發現硫化(huà)銀的(de)電阻随著(zhe)溫度的(de)變化(huà)情況不同于一般金屬，一般情況下(xià)，金屬的(de)電阻随溫度升高(gāo)而增加，但法拉第發現硫化(huà)銀材料的(de)電阻是随著(zhe)溫度的(de)上升而降低。這(zhè)是半導體現象的(de)首次發現。

1839年，法國的(de)貝克萊爾發現半導體和(hé)電解質接觸形成的(de)結，在光(guāng)照(zhào)下(xià)會産生一個(gè)電壓，這(zhè)就是後來(lái)人(rén)們熟知的(de)光(guāng)生伏特效應，這(zhè)是被發現的(de)半導體的(de)第二個(gè)特性。

1873年，英國的(de)史密斯發現硒晶體材料在光(guāng)照(zhào)下(xià)電導增加的(de)光(guāng)電導效應，這(zhè)是半導體的(de)第三種特性。

1874年，德國的(de)布勞恩觀察到某些硫化(huà)物(wù)的(de)電導與所加電場(chǎng)的(de)方向有關，即它的(de)導電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導通(tōng)的(de)；如果把電壓極性反過來(lái)，它就不導電，這(zhè)就是半導體的(de)整流效應，也(yě)是半導體所特有的(de)第四種特性。同年，舒斯特又發現了(le)銅與氧化(huà)銅的(de)整流效應。

1911年，考尼白格和(hé)維斯首次使用(yòng)半導體這(zhè)個(gè)名詞。

1947年12月(yuè)，貝爾實驗室完成并總結出半導體的(de)這(zhè)四個(gè)特性。

2019年10月(yuè)，一個(gè)國際科研團隊稱與傳統霍爾測量中僅獲得(de)3個(gè)參數相比，新技術在每個(gè)測試光(guāng)強度下(xià)最多(duō)可(kě)獲得(de)7個(gè)參數：包括電子和(hé)空穴的(de)遷移率；在光(guāng)下(xià)的(de)載荷子密度、重組壽命、電子、空穴和(hé)雙極性類型的(de)擴散長(cháng)度。

三、半導體産業鏈全景

半導體産業鏈大(dà)緻可(kě)以劃分(fēn)爲上遊、中遊和(hé)下(xià)遊。

上遊包括半導體材料、生産設備、EDA、IP核。

EDA，即電子設計自動化(huà)（Electronics Design Automation），包括電路設計與仿真工具、PCB 設計軟件、IC 設計軟件、PLD 設計工具等。

IP核（Intellectual Property Core）提供已經完成邏輯設計或物(wù)理(lǐ)設計的(de)芯片功能模塊，通(tōng)過授權允許客戶将其集成在其芯片設計中，通(tōng)過流片形成最終的(de)芯片産品。

中遊包括設計、制造、封測三大(dà)環節。

下(xià)遊主要爲半導體應用(yòng)，例如PC、醫療、電子、通(tōng)信、物(wù)聯網、、信息安全、汽車、新能源、工業等。

半導體可(kě)以分(fēn)爲四類産品，分(fēn)别是集成電路、光(guāng)電子器件、分(fēn)立器件和(hé)傳感器。其中規模最大(dà)的(de)是集成電路，市場(chǎng)規模達到2,753 億美(měi)元，占半導體市場(chǎng)的(de)83%

集成電路從制程工藝來(lái)看，頂尖工藝(7nm+10nm)目前占據13%的(de)市場(chǎng)份額，主要用(yòng)于CPU、GPU等超大(dà)規模邏輯集成電路的(de)制造。主要用(yòng)于存儲芯片制造的(de)14nm-28nm工藝占據了(le)34%的(de)市場(chǎng)份額；MCU/MPU、模拟器件、分(fēn)立器件和(hé)傳感器主要使用(yòng)40nm以上工藝，占據了(le)剩餘的(de)41%市場(chǎng)份額。

另外，分(fēn)立器件、傳感器、光(guāng)電器件也(yě)都在半導體行業中起著(zhe)至關重要的(de)作用(yòng)，市場(chǎng)規模也(yě)都不小。分(fēn)立器件主要包括二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。

四、生産模式與制造工藝

設計過程可(kě)以粗略的(de)分(fēn)爲确定項目需求、系統級設計、邏輯設計、硬件設計四部分(fēn)。

集成電路作爲半導體産業的(de)核心，由于其技術複雜(zá)性，産業結構高(gāo)度專業化(huà)。随著(zhe)産業規模的(de)迅速擴張，産業競争加劇，分(fēn)工模式進一步細化(huà)。

目前，全球半導體産業有兩種商業模式，即IDM（Integrated Device Manufacture，集成器件制造）模式和(hé)垂直分(fēn)工模式。垂直分(fēn)工模式主要包括Fabless（無晶圓制造的(de)設計公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（封裝測試企業），另外還(hái)有IP核（Intellectual Property Core）提供方等。

IDM模式的(de)企業主要有Intel、三星、德州儀器（TI）等,這(zhè)種模式涵蓋設計、制造、封測等整個(gè)芯片生産流程。這(zhè)類企業一般具有規模龐大(dà)、技術全面、積累深厚的(de)特點。

而垂直分(fēn)工模式中，則是IP核、設計、制造、封裝測試環節分(fēn)離，IP核供應商提供專業的(de)知識産權模塊，設計公司（Fabless）直接面對(duì)客戶需求，但隻從事設計，将制造和(hé)封裝測試外包，即晶圓代工廠（Foundry）、封裝測試企業和(hé)IP核供應商爲設計公司服務。

其中設計公司以高(gāo)通(tōng)、博通(tōng)、聯發科、海思爲代表，晶圓代工廠以台積電、格羅方德、聯電、中芯國際爲代表，封測以日月(yuè)光(guāng)、矽品、安靠、長(cháng)電科技爲代表。

EDA與IP授權是芯片設計的(de)兩個(gè)關鍵步驟，也(yě)是制造的(de)基礎。

EDA是電子設計自動化(huà)（Electronics Design Automation）的(de)縮寫，EDA技術就是以計算(suàn)機爲工具，設計者在EDA軟件平台上，用(yòng)硬件描述語言VerilogHDL完成設計文件，然後由計算(suàn)機自動地完成邏輯編譯、化(huà)簡、分(fēn)割、綜合、優化(huà)、布局、布線和(hé)仿真，直至對(duì)于特定目标芯片的(de)适配編譯、邏輯映射和(hé)編程下(xià)載等工作。EDA技術的(de)出現，極大(dà)地提高(gāo)了(le)電路設計的(de)效率和(hé)可(kě)操作性，減輕了(le)設計者的(de)勞動強度。

EDA設計軟件包括電路設計與仿真工具、PCB設計軟件、IC設計軟件、PLD設計工具等。

目前EDA設計軟件領域集中度較高(gāo)，Synopsys、Cadence和(hé)MentorGraphics三巨頭占據了(le)EDA設計軟件市場(chǎng)95%以上的(de)市場(chǎng)份額，Synopsys、Cadence等公司将自己的(de)軟IP集成在設計軟件中，進一步增加了(le)用(yòng)戶黏性，也(yě)提高(gāo)了(le)行業壁壘。

半導體IP授權主要分(fēn)爲軟IP、固IP和(hé)硬IP。軟IP是用(yòng)Verilog/VHDL等硬件描述語言描述的(de)功能塊，不涉及具體電路元件。固IP是以電路元件實現的(de)功能模塊。硬IP提供設計的(de)最終階段産品—掩膜。

制備不同的(de)半導體器件對(duì)半導體材料有不同的(de)形态要求，包括單晶的(de)切片、磨片、抛光(guāng)片、薄膜等。半導體材料的(de)不同形态要求對(duì)應不同的(de)加工工藝。常用(yòng)的(de)半導體材料制備工藝有提純、單晶的(de)制備和(hé)薄膜外延生長(cháng)。

第三代半導體材料是以氮化(huà)镓和(hé)碳化(huà)矽爲代表的(de)寬禁帶半導體材料，在導熱(rè)率、抗輻射能力、擊穿電場(chǎng)能力、電子飽和(hé)速率等方面優勢突出，更适用(yòng)于高(gāo)溫、高(gāo)頻(pín)、抗輻射的(de)場(chǎng)合。

當前全球芯片設計仍以美(měi)國爲主導，美(měi)國IC設計公司占據了(le)全球約68%的(de)最大(dà)份額，台灣地區(qū)IC 設計公司占16%，歐洲IC 設計企業隻占了(le)全球市場(chǎng)份額的(de)2%，日韓地區(qū)Fabless 模式并不流行。

國内對(duì)于美(měi)國公司在核心芯片設計領域的(de)依賴程度較高(gāo)。

紫光(guāng)展銳、華爲海思等在移動處理(lǐ)器方面已進入全球前列。

中央處理(lǐ)器(CPU) 方面，英特爾幾乎壟斷了(le)全球市場(chǎng)，國内相關企業約有 3-5 家，但都沒有實現商業量産，多(duō)仍然依靠申請科研項目經費和(hé)政府補貼維持運轉。龍芯等國内 CPU 設計企業雖然能夠做(zuò)出 CPU 産品，而且在單一或部分(fēn)指标上可(kě)能超越國外 CPU，但由于缺乏産業生态支撐，還(hái)無法與占主導地位的(de)産品競争。

目前全球存儲芯片主要有三類産品，根據銷售額大(dà)小依次爲：DRAM、NAND Flash 以及Nor Flash。在内存和(hé)閃存領域中，IDM 廠韓國三星和(hé)海力士擁有絕對(duì)的(de)優勢，截止到2017年，在兩大(dà)領域合計市場(chǎng)份額分(fēn)别爲75.7%和(hé)49.1%，中國廠商競争空間極爲有限，武漢長(cháng)江存儲試圖發展 3D Nand Flash(閃存)的(de)技術，但目前僅處于 32 層閃存樣品階段，而三星、英特爾等全球龍頭企業已開始陸續量産 64 層閃存産品；在Nor flash 這(zhè)個(gè)約爲三四十億美(měi)元的(de)小市場(chǎng)中，兆易創新是世界主要參與廠家之一，其他(tā)主流供貨廠家爲台灣旺宏，美(měi)國Cypress，美(měi)國美(měi)光(guāng)，台灣華邦。

FPGA、AD/DA 等高(gāo)端通(tōng)用(yòng)型芯片，具有研發投入大(dà)，生命周期長(cháng)，較難在短期聚集起經濟效益，因此在國内公司層面發展較爲緩慢(màn)，甚至有些領域是停滞的(de)。

芯片設計的(de)上市公司，都是在細分(fēn)領域的(de)國内最強。比如彙頂科技在指紋識别芯片領域超越FPC 成爲全球安卓陣營最大(dà)指紋IC 提供商，成爲國産設計芯片在消費電子細分(fēn)領域少有的(de)全球第一。士蘭微從集成電路芯片設計業務開始，逐步搭建了(le)芯片制造平台，并已将技術和(hé)制造平台延伸至功率器件、功率模塊和(hé)MEMS 傳感器的(de)封裝領域。但與國際半導體大(dà)廠相比，不管是高(gāo)端芯片設計能力，還(hái)是規模、盈利水(shuǐ)平等方面仍有非常大(dà)的(de)追趕空間。

五、設備

半導體設備處于産業鏈上遊，貫穿半導體生産的(de)各個(gè)環節。按照(zhào)工藝流程可(kě)以分(fēn)爲四大(dà)闆塊——晶圓制造設備、測試設備、封裝設備、前端相關設備。再具體來(lái)說，晶圓制造設備根據制程可(kě)以主要分(fēn)爲8 大(dà)類，其中光(guāng)刻機、刻蝕機和(hé) 薄膜沉積設備這(zhè)三大(dà)類設備占據大(dà)部分(fēn)的(de)半導體設備市場(chǎng)。同時(shí)設備市場(chǎng)高(gāo)度集中，光(guāng)刻機、CVD 設備、刻蝕機、PVD 設備的(de)産出均集中于少數歐美(měi)日本巨頭企業手上。

中國半導體設備國産化(huà)率低，本土半導體設備廠商市占率僅占全球份額的(de)1-2%。

關鍵設備在先進制程上仍未實現突破。目前世界集成電路設備研發水(shuǐ)平處于12 英寸5nm，生産水(shuǐ)平則已經達到12 英寸7nm；而中國設備研發水(shuǐ)平還(hái)處于12 英寸14-7nm，生産水(shuǐ)平爲12 英寸14nm，總的(de)來(lái)看國産設備在先進制程上與國内先進水(shuǐ)平仍有差距；具體來(lái)看65/55/40/28nm 光(guāng)刻機、40/28nm 的(de)化(huà)學機械抛光(guāng)機國産化(huà)率依然爲0，28nm化(huà)學氣相沉積設備、快(kuài)速退火設備、國産化(huà)率很低。

六、材料

半導體産業發展至今經曆了(le)三個(gè)階段：

第一代半導體材料以矽爲代表；

第二代半導體材料砷化(huà)镓也(yě)已經廣泛應用(yòng)；

而以氮化(huà)镓和(hé)碳化(huà)矽、氧化(huà)鋅、氧化(huà)鋁、金剛石等爲代表的(de)第三代半導體材料。相較前兩代産品性能優勢顯著，憑借其高(gāo)效率、高(gāo)密度、高(gāo)可(kě)靠性等優勢，在新能源汽車、通(tōng)信以及家用(yòng)電器等領域發揮重要作用(yòng)，成爲業内關注的(de)新焦點。

全球半導體材料市場(chǎng)規模443 億美(měi)金。

Si：主要應用(yòng)于集成電路的(de)晶圓片和(hé)功率器件;

GaAs：主要應用(yòng)于大(dà)功率發光(guāng)電子器件和(hé)射頻(pín)器件;

GaN：主要應用(yòng)于光(guāng)電器件和(hé)微波通(tōng)信器件;

SiC：主要應用(yòng)于功率器件。

半導體材料主要分(fēn)爲晶圓制造材料和(hé)封裝材料兩大(dà)塊。晶圓制造材料中，矽片機矽基材料最高(gāo)占比31%，其次依次爲光(guāng)掩模版14%、光(guāng)刻膠5%及其光(guāng)刻膠配套試劑7%。封裝材料中，封裝基闆占比最高(gāo)，爲40%，其次依次爲引線框架16%，陶瓷基闆11%，鍵合線15%。

日美(měi)德在全球半導體材料供應上占主導地位。各細分(fēn)領域主要玩家有：矽片——Shin-Etsu、Sumco，光(guāng)刻膠——TOK、Shipley，電子氣體——Air Liquid、Praxair，CMP——DOW、3M，引線架構——住友金屬，鍵合線——田中貴金屬、封裝基闆——松下(xià)電工，塑封料——住友電木(mù)。

七、制造

半導體制造在半導體産業鏈裏具有卡口地位。制造是産業鏈裏的(de)核心環節，地位的(de)重要性不言而喻。統計行業裏各個(gè)環節的(de)價值量，制造環節的(de)價值量最大(dà)，同時(shí)毛利率也(yě)處于行業較高(gāo)水(shuǐ)平，因爲Fabless（無晶圓制造的(de)設計公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（封裝測試企業）的(de)模式成爲趨勢，Foundry 在整個(gè)産業鏈中的(de)重要程度也(yě)逐步提升，可(kě)以這(zhè)麽認爲，Foundry 是一個(gè)卡口，産能的(de)輸出都由制造企業所掌控。

代工業呈現非常明(míng)顯的(de)頭部效應 根據IC Insights 的(de)數據顯示，在全球前十大(dà)代工廠商中，台積電一家占據了(le)超過一半的(de)市場(chǎng)份額，前八家市場(chǎng)份額接近90%。

八、封測

封測行業位于半導體産業鏈末端，其附加價值較低，勞動密集度高(gāo)，進入技術壁壘較低，封測龍頭日月(yuè)光(guāng)每年的(de)研發費用(yòng)占收入比例約爲4%左右，遠(yuǎn)低于半導體IC 設計、設備和(hé)制造的(de)世界龍頭公司。

封測行業呈現出台灣地區(qū)、美(měi)國、大(dà)陸地區(qū)三足鼎立之态，其中長(cháng)電科技/通(tōng)富微電/華天科技已通(tōng)過資本并購(gòu)運作，市場(chǎng)占有率跻身全球前十（長(cháng)電科技市場(chǎng)規模位列全球第三），先進封裝技術水(shuǐ)平和(hé)海外龍頭企業基本同步，BGA、WLP、SiP 等先進封裝技術均能順利量産。

九、行業頭部廠商

半導體廠商可(kě)區(qū)分(fēn)成三種：

芯片制造商（如英特爾、三星電子），設計、制造與銷售自有芯片。

無廠半導體公司（如高(gāo)通(tōng)、聯發科、海思、威盛、瑞昱），設計并銷售自己的(de)芯片，制造是委外代工的(de)。

晶圓代工（如台積電、聯電），隻制造芯片，不進行設計工作。

根據全球半導體貿易統計組織（WSTS）的(de)數據，2018年全球半導體（含分(fēn)立器件、光(guāng)電子、傳感器、集成電路）市場(chǎng)規模高(gāo)達4687.8億美(měi)元，而2019年預計市場(chǎng)規模将超過5000億美(měi)元。整個(gè)半導體産業中集成電路（IC）占83%，占比最大(dà)。

權威半導體第三方調研機構 IC Insights 發布了(le)其 2020 年第一季度全球十大(dà)半導體（IC 和(hé) OSD，OSD 是光(guāng)電器件、傳感器和(hé)分(fēn)立器件的(de)縮寫）銷售排名，前十廠商分(fēn)别是英特爾、三星、台積電、SK 海力士、美(měi)光(guāng)、博通(tōng)、高(gāo)通(tōng)、德州儀器、英偉達和(hé)海思。

根據 IC Insights 的(de)統計，排名前十的(de)半導體公司 2020 年第一季度銷售額同比增長(cháng)了(le) 16％，是同期半導體全行業增長(cháng) 7％的(de)兩倍多(duō)。這(zhè)十家公司中有九家的(de) 2020 年第一季度銷售額超過了(le) 30 億美(měi)元，比 2019 年多(duō)加了(le)一家。

按地區(qū)來(lái)劃分(fēn)，前十名中有 6 家美(měi)國公司、2 家韓國企業、中國大(dà)陸和(hé)中國台灣各 1 家，其中四家爲無晶圓廠公司（Broadcom，Qualcomm，Nvidia 和(hé) HiSilicon），一家純晶圓代工廠（TSMC）。

和(hé)去年同期一樣，該榜單的(de)前三名依舊(jiù)是英特爾、三星和(hé)台積電。

數據顯示，英特爾 2020 年第 1 季營收 195.08 億美(měi)元，年增 23%，穩居全球半導體龍頭寶座。三星則以第一季度 147.97 億美(měi)元、年增 15%的(de)營收緊随其後，爲第 2 大(dà)半導體廠。

而排名第三的(de)台積電，在海思與蘋果 7nm 智能手機應用(yòng)處理(lǐ)器大(dà)量出貨的(de)貢獻下(xià)，第一季度營收達 103.19 億美(měi)元，年增 45%。

十、全球市場(chǎng)及發展趨勢

半導體被稱爲制造業皇冠上的(de)明(míng)珠，半導體産業是信息技術産業的(de)核心，是推動傳統工業轉型升級和(hé)提升中國“智造”水(shuǐ)平的(de)物(wù)質支撐，是支撐經濟社會發展和(hé)保障國家安全的(de)戰略性、基礎性和(hé)先導性産業。

2010年以來(lái)，全球半導體行業從PC時(shí)代進入智能手機時(shí)代，進入新一輪快(kuài)速成長(cháng)期。創新不斷推動行業發展，分(fēn)工細化(huà)降低進入壁壘。

從具體産品分(fēn)類來(lái)看，IC Insights提供的(de)數據顯示，智能手機、PC、汽車電子、IOT（Internet of Things，物(wù)聯網）和(hé)服務器占據前五大(dà)的(de)位置，智能手機仍是應用(yòng)領域的(de)第一大(dà)場(chǎng)景。

我國半導體産業的(de)進口替代空間巨大(dà)。半導體産業鏈制造能力的(de)不足使我國成爲半導體進口第一大(dà)國。2018年，中國淨進口的(de)集成電路全球占比高(gāo)達56.45%。集成電路進口額從2015年起已連續4年超過原油，成爲我國進口金額最大(dà)的(de)商品。

半導體制造作爲重資産行業，資本開支巨大(dà)。目前全球半導體産業的(de)資本支出非常集中，前5大(dà)廠商就占了(le)整個(gè)資本支出的(de)65%左右，三星一家大(dà)概占20%-25%，2017年全球資本支出同比增長(cháng)34%，達到新高(gāo)900億美(měi)元之後，預計2018年全球資本支出将首次超過1000億美(měi)元，達到1026億美(měi)元，同比增長(cháng)14%。

2014年工信部發布《國家集成電路産業發展推進綱要》以及随後發起設立“國家集成電路産業投資基金”（簡稱“大(dà)基金”）以來(lái)，國内半導體産業的(de)發展掀起新一輪熱(rè)潮。半導體産業的(de)投資主體沿著(zhe)中央政府-----地方政府-----産業資本的(de)道路滾動推進。

國家大(dà)力推動半導體産業加速發展

據 Gartner預測，2019年、2020年、2021年、2022年，全球半導體市場(chǎng)銷售分(fēn)别爲4,890億美(měi)元、5,280億美(měi)元、5,190億美(měi)元、5,390億美(měi)元，分(fēn)别增長(cháng)2.5%、8.1%、-1.8%、3.8%。

半導體産業已成爲全球創新最爲活躍的(de)領域。以5G、汽車電子、物(wù)聯網、AI（人(rén)工智能）、高(gāo)性能運算(suàn)、數據中心、工業機器人(rén)、智能穿戴等爲驅動因素的(de)新一輪矽含量提升周期到來(lái)，給半導體産業帶來(lái)新機遇。