一、簡介

半導體(tǐ)指常溫下導電(diàn)性能(néng)介于導體(tǐ)與絕緣體(tǐ)之間的材料。

半導體(tǐ)在集成電(diàn)路、消費電(diàn)子、通信系統、光伏發電(diàn)、照明、大功率電(diàn)源轉換等領域都有應用(yòng)，如二極管就是采用(yòng)半導體(tǐ)制作(zuò)的器件。

大部分(fēn)的電(diàn)子産(chǎn)品，如計算機、智能(néng)手機等或是數字錄音機當中(zhōng)的核心單元都和半導體(tǐ)有着極為(wèi)密切的關聯。

常見的半導體(tǐ)材料有矽、鍺、砷化镓等，矽是各種半導體(tǐ)材料應用(yòng)中(zhōng)最具有影響力的一種。

無論從科(kē)技(jì )或是經濟發展的角度來看，半導體(tǐ)的重要性都是非常巨大的。

二、發現曆史

1833年，英國(guó)科(kē)學(xué)家電(diàn)子學(xué)之父法拉第最先發現硫化銀的電(diàn)阻随着溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電(diàn)阻随溫度升高而增加，但法拉第發現硫化銀材料的電(diàn)阻是随着溫度的上升而降低。這是半導體(tǐ)現象的首次發現。

1839年，法國(guó)的貝克萊爾發現半導體(tǐ)和電(diàn)解質(zhì)接觸形成的結，在光照下會産(chǎn)生一個電(diàn)壓，這就是後來人們熟知的光生伏特效應，這是被發現的半導體(tǐ)的第二個特性。

1873年，英國(guó)的史密斯發現硒晶體(tǐ)材料在光照下電(diàn)導增加的光電(diàn)導效應，這是半導體(tǐ)的第三種特性。

1874年，德(dé)國(guó)的布勞恩觀察到某些硫化物(wù)的電(diàn)導與所加電(diàn)場的方向有關，即它的導電(diàn)有方向性，在它兩端加一個正向電(diàn)壓，它是導通的；如果把電(diàn)壓極性反過來，它就不導電(diàn)，這就是半導體(tǐ)的整流效應，也是半導體(tǐ)所特有的第四種特性。同年，舒斯特又(yòu)發現了銅與氧化銅的整流效應。

1911年，考尼白格和維斯首次使用(yòng)半導體(tǐ)這個名詞。

1947年12月，貝爾實驗室完成并總結出半導體(tǐ)的這四個特性。

2019年10月，一個國(guó)際科(kē)研團隊稱與傳統霍爾測量中(zhōng)僅獲得3個參數相比，新(xīn)技(jì )術在每個測試光強度下最多(duō)可(kě)獲得7個參數：包括電(diàn)子和空穴的遷移率；在光下的載荷子密度、重組壽命、電(diàn)子、空穴和雙極性類型的擴散長(cháng)度。

三、半導體(tǐ)産(chǎn)業鏈全景

半導體(tǐ)産(chǎn)業鏈大緻可(kě)以劃分(fēn)為(wèi)上遊、中(zhōng)遊和下遊。

上遊包括半導體(tǐ)材料、生産(chǎn)設備、EDA、IP核。

EDA，即電(diàn)子設計自動化（Electronics Design Automation），包括電(diàn)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)設計的芯片功能(néng)模塊，通過授權允許客戶将其集成在其芯片設計中(zhōng)，通過流片形成最終的芯片産(chǎn)品。

中(zhōng)遊包括設計、制造、封測三大環節。

下遊主要為(wèi)半導體(tǐ)應用(yòng)，例如PC、醫(yī)療、電(diàn)子、通信、物(wù)聯網、、信息安(ān)全、汽車(chē)、新(xīn)能(néng)源、工業等。

半導體(tǐ)可(kě)以分(fēn)為(wèi)四類産(chǎn)品，分(fēn)别是集成電(diàn)路、光電(diàn)子器件、分(fēn)立器件和傳感器。其中(zhōng)規模最大的是集成電(diàn)路，市場規模達到2,753 億美元，占半導體(tǐ)市場的83%

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

另外，分(fēn)立器件、傳感器、光電(diàn)器件也都在半導體(tǐ)行業中(zhōng)起着至關重要的作(zuò)用(yòng)，市場規模也都不小(xiǎo)。分(fēn)立器件主要包括二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。

四、生産(chǎn)模式與制造工藝

設計過程可(kě)以粗略的分(fēn)為(wèi)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(diàn)路作(zuò)為(wèi)半導體(tǐ)産(chǎn)業的核心，由于其技(jì )術複雜性，産(chǎn)業結構高度專業化。随着産(chǎn)業規模的迅速擴張，産(chǎn)業競争加劇，分(fēn)工模式進一步細化。

目前，全球半導體(tǐ)産(chǎn)業有兩種商(shāng)業模式，即IDM（Integrated Device Manufacture，集成器件制造）模式和垂直分(fēn)工模式。垂直分(fēn)工模式主要包括Fabless（無晶圓制造的設計公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（封裝(zhuāng)測試企業），另外還有IP核（Intellectual Property Core）提供方等。

IDM模式的企業主要有Intel、三星、德(dé)州儀器（TI）等,這種模式涵蓋設計、制造、封測等整個芯片生産(chǎn)流程。這類企業一般具有規模龐大、技(jì )術全面、積累深厚的特點。

而垂直分(fēn)工模式中(zhōng)，則是IP核、設計、制造、封裝(zhuāng)測試環節分(fēn)離，IP核供應商(shāng)提供專業的知識産(chǎn)權模塊，設計公司（Fabless）直接面對客戶需求，但隻從事設計，将制造和封裝(zhuāng)測試外包，即晶圓代工廠（Foundry）、封裝(zhuāng)測試企業和IP核供應商(shāng)為(wèi)設計公司服務(wù)。

其中(zhōng)設計公司以高通、博通、聯發科(kē)、海思為(wèi)代表，晶圓代工廠以台積電(diàn)、格羅方德(dé)、聯電(diàn)、中(zhōng)芯國(guó)際為(wèi)代表，封測以日月光、矽品、安(ān)靠、長(cháng)電(diàn)科(kē)技(jì )為(wèi)代表。

EDA與IP授權是芯片設計的兩個關鍵步驟，也是制造的基礎。

EDA是電(diàn)子設計自動化（Electronics Design Automation）的縮寫，EDA技(jì )術就是以計算機為(wèi)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(wén)件，然後由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分(fēn)割、綜合、優化、布局、布線(xiàn)和仿真，直至對于特定目标芯片的适配編譯、邏輯映射和編程下載等工作(zuò)。EDA技(jì )術的出現，極大地提高了電(diàn)路設計的效率和可(kě)操作(zuò)性，減輕了設計者的勞動強度。

EDA設計軟件包括電(diàn)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(zhōng)度較高，Synopsys、Cadence和MentorGraphics三巨頭占據了EDA設計軟件市場95%以上的市場份額，Synopsys、Cadence等公司将自己的軟IP集成在設計軟件中(zhōng)，進一步增加了用(yòng)戶黏性，也提高了行業壁壘。

半導體(tǐ)IP授權主要分(fēn)為(wèi)軟IP、固IP和硬IP。軟IP是用(yòng)Verilog/VHDL等硬件描述語言描述的功能(néng)塊，不涉及具體(tǐ)電(diàn)路元件。固IP是以電(diàn)路元件實現的功能(néng)模塊。硬IP提供設計的最終階段産(chǎn)品—掩膜。

制備不同的半導體(tǐ)器件對半導體(tǐ)材料有不同的形态要求，包括單晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半導體(tǐ)材料的不同形态要求對應不同的加工工藝。常用(yòng)的半導體(tǐ)材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長(cháng)。

第三代半導體(tǐ)材料是以氮化镓和碳化矽為(wèi)代表的寬禁帶半導體(tǐ)材料，在導熱率、抗輻射能(néng)力、擊穿電(diàn)場能(néng)力、電(diàn)子飽和速率等方面優勢突出，更适用(yòng)于高溫、高頻、抗輻射的場合。

當前全球芯片設計仍以美國(guó)為(wèi)主導，美國(guó)IC設計公司占據了全球約68%的最大份額，台灣地區(qū)IC 設計公司占16%，歐洲IC 設計企業隻占了全球市場份額的2%，日韓地區(qū)Fabless 模式并不流行。

國(guó)内對于美國(guó)公司在核心芯片設計領域的依賴程度較高。

紫光展銳、華為(wèi)海思等在移動處理(lǐ)器方面已進入全球前列。

中(zhōng)央處理(lǐ)器(CPU) 方面，英特爾幾乎壟斷了全球市場，國(guó)内相關企業約有 3-5 家，但都沒有實現商(shāng)業量産(chǎn)，多(duō)仍然依靠申請科(kē)研項目經費和政府補貼維持運轉。龍芯等國(guó)内 CPU 設計企業雖然能(néng)夠做出 CPU 産(chǎn)品，而且在單一或部分(fēn)指标上可(kě)能(néng)超越國(guó)外 CPU，但由于缺乏産(chǎn)業生态支撐，還無法與占主導地位的産(chǎn)品競争。

目前全球存儲芯片主要有三類産(chǎn)品，根據銷售額大小(xiǎo)依次為(wèi)：DRAM、NAND Flash 以及Nor Flash。在内存和閃存領域中(zhōng)，IDM 廠韓國(guó)三星和海力士擁有絕對的優勢，截止到2017年，在兩大領域合計市場份額分(fēn)别為(wèi)75.7%和49.1%，中(zhōng)國(guó)廠商(shāng)競争空間極為(wèi)有限，武漢長(cháng)江存儲試圖發展 3D Nand Flash(閃存)的技(jì )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(chǎn) 64 層閃存産(chǎn)品；在Nor flash 這個約為(wèi)三四十億美元的小(xiǎo)市場中(zhōng)，兆易創新(xīn)是世界主要參與廠家之一，其他(tā)主流供貨廠家為(wèi)台灣旺宏，美國(guó)Cypress，美國(guó)美光，台灣華邦。

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

芯片設計的上市公司，都是在細分(fēn)領域的國(guó)内最強。比如彙頂科(kē)技(jì )在指紋識别芯片領域超越FPC 成為(wèi)全球安(ān)卓陣營最大指紋IC 提供商(shāng)，成為(wèi)國(guó)産(chǎn)設計芯片在消費電(diàn)子細分(fēn)領域少有的全球第一。士蘭微從集成電(diàn)路芯片設計業務(wù)開始，逐步搭建了芯片制造平台，并已将技(jì )術和制造平台延伸至功率器件、功率模塊和MEMS 傳感器的封裝(zhuāng)領域。但與國(guó)際半導體(tǐ)大廠相比，不管是高端芯片設計能(néng)力，還是規模、盈利水平等方面仍有非常大的追趕空間。

五、設備

半導體(tǐ)設備處于産(chǎn)業鏈上遊，貫穿半導體(tǐ)生産(chǎn)的各個環節。按照工藝流程可(kě)以分(fēn)為(wèi)四大闆塊——晶圓制造設備、測試設備、封裝(zhuāng)設備、前端相關設備。再具體(tǐ)來說，晶圓制造設備根據制程可(kě)以主要分(fēn)為(wèi)8 大類，其中(zhōng)光刻機、刻蝕機和 薄膜沉積設備這三大類設備占據大部分(fēn)的半導體(tǐ)設備市場。同時設備市場高度集中(zhōng)，光刻機、CVD 設備、刻蝕機、PVD 設備的産(chǎn)出均集中(zhōng)于少數歐美日本巨頭企業手上。

中(zhōng)國(guó)半導體(tǐ)設備國(guó)産(chǎn)化率低，本土半導體(tǐ)設備廠商(shāng)市占率僅占全球份額的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(diàn)路設備研發水平處于12 英寸5nm，生産(chǎn)水平則已經達到12 英寸7nm；而中(zhōng)國(guó)設備研發水平還處于12 英寸14-7nm，生産(chǎn)水平為(wèi)12 英寸14nm，總的來看國(guó)産(chǎn)設備在先進制程上與國(guó)内先進水平仍有差距；具體(tǐ)來看65/55/40/28nm 光刻機、40/28nm 的化學(xué)機械抛光機國(guó)産(chǎn)化率依然為(wèi)0，28nm化學(xué)氣相沉積設備、快速退火設備、國(guó)産(chǎn)化率很(hěn)低。

六、材料

半導體(tǐ)産(chǎn)業發展至今經曆了三個階段：

第一代半導體(tǐ)材料以矽為(wèi)代表；

第二代半導體(tǐ)材料砷化镓也已經廣泛應用(yòng)；

而以氮化镓和碳化矽、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等為(wèi)代表的第三代半導體(tǐ)材料。相較前兩代産(chǎn)品性能(néng)優勢顯著，憑借其高效率、高密度、高可(kě)靠性等優勢，在新(xīn)能(néng)源汽車(chē)、通信以及家用(yòng)電(diàn)器等領域發揮重要作(zuò)用(yòng)，成為(wèi)業内關注的新(xīn)焦點。

全球半導體(tǐ)材料市場規模443 億美金。

Si：主要應用(yòng)于集成電(diàn)路的晶圓片和功率器件;

GaAs：主要應用(yòng)于大功率發光電(diàn)子器件和射頻器件;

GaN：主要應用(yòng)于光電(diàn)器件和微波通信器件;

SiC：主要應用(yòng)于功率器件。

半導體(tǐ)材料主要分(fēn)為(wèi)晶圓制造材料和封裝(zhuāng)材料兩大塊。晶圓制造材料中(zhōng)，矽片機矽基材料最高占比31%，其次依次為(wèi)光掩模版14%、光刻膠5%及其光刻膠配套試劑7%。封裝(zhuāng)材料中(zhōng)，封裝(zhuāng)基闆占比最高，為(wèi)40%，其次依次為(wèi)引線(xiàn)框架16%，陶瓷基闆11%，鍵合線(xiàn)15%。

日美德(dé)在全球半導體(tǐ)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，光刻膠——TOK、Shipley，電(diàn)子氣體(tǐ)——Air Liquid、Praxair，CMP——DOW、3M，引線(xiàn)架構——住友金屬，鍵合線(xiàn)——田中(zhōng)貴金屬、封裝(zhuāng)基闆——松下電(diàn)工，塑封料——住友電(diàn)木(mù)。

七、制造

半導體(tǐ)制造在半導體(tǐ)産(chǎn)業鏈裏具有卡口地位。制造是産(chǎn)業鏈裏的核心環節，地位的重要性不言而喻。統計行業裏各個環節的價值量，制造環節的價值量最大，同時毛利率也處于行業較高水平，因為(wèi)Fabless（無晶圓制造的設計公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（封裝(zhuāng)測試企業）的模式成為(wèi)趨勢，Foundry 在整個産(chǎn)業鏈中(zhōng)的重要程度也逐步提升，可(kě)以這麽認為(wèi)，Foundry 是一個卡口，産(chǎn)能(néng)的輸出都由制造企業所掌控。

代工業呈現非常明顯的頭部效應 根據IC Insights 的數據顯示，在全球前十大代工廠商(shāng)中(zhōng)，台積電(diàn)一家占據了超過一半的市場份額，前八家市場份額接近90%。

八、封測

封測行業位于半導體(tǐ)産(chǎn)業鏈末端，其附加價值較低，勞動密集度高，進入技(jì )術壁壘較低，封測龍頭日月光每年的研發費用(yòng)占收入比例約為(wèi)4%左右，遠(yuǎn)低于半導體(tǐ)IC 設計、設備和制造的世界龍頭公司。

封測行業呈現出台灣地區(qū)、美國(guó)、大陸地區(qū)三足鼎立之态，其中(zhōng)長(cháng)電(diàn)科(kē)技(jì )/通富微電(diàn)/華天科(kē)技(jì )已通過資本并購(gòu)運作(zuò)，市場占有率跻身全球前十（長(cháng)電(diàn)科(kē)技(jì )市場規模位列全球第三），先進封裝(zhuāng)技(jì )術水平和海外龍頭企業基本同步，BGA、WLP、SiP 等先進封裝(zhuāng)技(jì )術均能(néng)順利量産(chǎn)。

九、行業頭部廠商(shāng)

半導體(tǐ)廠商(shāng)可(kě)區(qū)分(fēn)成三種：

芯片制造商(shāng)（如英特爾、三星電(diàn)子），設計、制造與銷售自有芯片。

無廠半導體(tǐ)公司（如高通、聯發科(kē)、海思、威盛、瑞昱），設計并銷售自己的芯片，制造是委外代工的。

晶圓代工（如台積電(diàn)、聯電(diàn)），隻制造芯片，不進行設計工作(zuò)。

根據全球半導體(tǐ)貿易統計組織（WSTS）的數據，2018年全球半導體(tǐ)（含分(fēn)立器件、光電(diàn)子、傳感器、集成電(diàn)路）市場規模高達4687.8億美元，而2019年預計市場規模将超過5000億美元。整個半導體(tǐ)産(chǎn)業中(zhōng)集成電(diàn)路（IC）占83%，占比最大。

權威半導體(tǐ)第三方調研機構 IC Insights 發布了其 2020 年第一季度全球十大半導體(tǐ)（IC 和 OSD，OSD 是光電(diàn)器件、傳感器和分(fēn)立器件的縮寫）銷售排名，前十廠商(shāng)分(fēn)别是英特爾、三星、台積電(diàn)、SK 海力士、美光、博通、高通、德(dé)州儀器、英偉達和海思。

根據 IC Insights 的統計，排名前十的半導體(tǐ)公司 2020 年第一季度銷售額同比增長(cháng)了 16％，是同期半導體(tǐ)全行業增長(cháng) 7％的兩倍多(duō)。這十家公司中(zhōng)有九家的 2020 年第一季度銷售額超過了 30 億美元，比 2019 年多(duō)加了一家。

按地區(qū)來劃分(fēn)，前十名中(zhōng)有 6 家美國(guó)公司、2 家韓國(guó)企業、中(zhōng)國(guó)大陸和中(zhōng)國(guó)台灣各 1 家，其中(zhōng)四家為(wèi)無晶圓廠公司（Broadcom，Qualcomm，Nvidia 和 HiSilicon），一家純晶圓代工廠（TSMC）。

和去年同期一樣，該榜單的前三名依舊是英特爾、三星和台積電(diàn)。

數據顯示，英特爾 2020 年第 1 季營收 195.08 億美元，年增 23%，穩居全球半導體(tǐ)龍頭寶座。三星則以第一季度 147.97 億美元、年增 15%的營收緊随其後，為(wèi)第 2 大半導體(tǐ)廠。

而排名第三的台積電(diàn)，在海思與蘋果 7nm 智能(néng)手機應用(yòng)處理(lǐ)器大量出貨的貢獻下，第一季度營收達 103.19 億美元，年增 45%。

十、全球市場及發展趨勢

半導體(tǐ)被稱為(wèi)制造業皇冠上的明珠，半導體(tǐ)産(chǎn)業是信息技(jì )術産(chǎn)業的核心，是推動傳統工業轉型升級和提升中(zhōng)國(guó)“智造”水平的物(wù)質(zhì)支撐，是支撐經濟社會發展和保障國(guó)家安(ān)全的戰略性、基礎性和先導性産(chǎn)業。

2010年以來，全球半導體(tǐ)行業從PC時代進入智能(néng)手機時代，進入新(xīn)一輪快速成長(cháng)期。創新(xīn)不斷推動行業發展，分(fēn)工細化降低進入壁壘。

從具體(tǐ)産(chǎn)品分(fēn)類來看，IC Insights提供的數據顯示，智能(néng)手機、PC、汽車(chē)電(diàn)子、IOT（Internet of Things，物(wù)聯網）和服務(wù)器占據前五大的位置，智能(néng)手機仍是應用(yòng)領域的第一大場景。

我國(guó)半導體(tǐ)産(chǎn)業的進口替代空間巨大。半導體(tǐ)産(chǎn)業鏈制造能(néng)力的不足使我國(guó)成為(wèi)半導體(tǐ)進口第一大國(guó)。2018年，中(zhōng)國(guó)淨進口的集成電(diàn)路全球占比高達56.45%。集成電(diàn)路進口額從2015年起已連續4年超過原油，成為(wèi)我國(guó)進口金額最大的商(shāng)品。

半導體(tǐ)制造作(zuò)為(wèi)重資産(chǎn)行業，資本開支巨大。目前全球半導體(tǐ)産(chǎn)業的資本支出非常集中(zhōng)，前5大廠商(shāng)就占了整個資本支出的65%左右，三星一家大概占20%-25%，2017年全球資本支出同比增長(cháng)34%，達到新(xīn)高900億美元之後，預計2018年全球資本支出将首次超過1000億美元，達到1026億美元，同比增長(cháng)14%。

2014年工信部發布《國(guó)家集成電(diàn)路産(chǎn)業發展推進綱要》以及随後發起設立“國(guó)家集成電(diàn)路産(chǎn)業投資基金”（簡稱“大基金”）以來，國(guó)内半導體(tǐ)産(chǎn)業的發展掀起新(xīn)一輪熱潮。半導體(tǐ)産(chǎn)業的投資主體(tǐ)沿着中(zhōng)央政府-----地方政府-----産(chǎn)業資本的道路滾動推進。

國(guó)家大力推動半導體(tǐ)産(chǎn)業加速發展

據 Gartner預測，2019年、2020年、2021年、2022年，全球半導體(tǐ)市場銷售分(fēn)别為(wèi)4,890億美元、5,280億美元、5,190億美元、5,390億美元，分(fēn)别增長(cháng)2.5%、8.1%、-1.8%、3.8%。

半導體(tǐ)産(chǎn)業已成為(wèi)全球創新(xīn)最為(wèi)活躍的領域。以5G、汽車(chē)電(diàn)子、物(wù)聯網、AI（人工智能(néng)）、高性能(néng)運算、數據中(zhōng)心、工業機器人、智能(néng)穿戴等為(wèi)驅動因素的新(xīn)一輪矽含量提升周期到來，給半導體(tǐ)産(chǎn)業帶來新(xīn)機遇。