半导体常见的产品分类有哪些

　　工作和兴趣都在芯片行业，所以需要系统整理一下思路，本文只言简意赅的阐述三个问题：1） 三代半导体材料；2） 半导体器件的产品功能分类：集成电路、光电器件、分立器件和传感器四个领域；半导体之集成电路的功能分类：逻辑器件、存储器件、微处理器、模拟器件；3） 半导体产业链全景。
　　虽然读书甚多，但很肤浅且杂乱，甚至没做笔记，漏了许多资料来源，写得也不尽如人意，非常羞愧，不过自信学习能力是从无到有，会慢慢进步的。
　　导体、半导体、绝缘体之间的差别就是导电能力的不同，通常用电阻率的大小来区分，但三者之间没有绝对的界限。半导体是一类材料的总称，特指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。

　　半导体材料
　　硅和锗是最常见的元素半导体，化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物（硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜等的氧化物）、Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷或称砷化铝镓），此外还有玻璃半导体、有机半导体等非晶态半导体。
　　从行业习惯来说，不是所有以半导体为材料做成的元器件都称为半导体器件。
　　第一代半导体材料主要是指硅（Si）和锗（Ge）。硅是第一代半导体的代表，同时也是各种半导体材料应用中最具有影响力的一种，构成了一切逻辑器件的基础，在集成电路、网络、电脑、手机、电视、航空航天、军工和新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用，硅芯片在人类社会的每一个角落无不闪烁着它的光辉。
　　第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）是第二代半导体的代表，其中GaAs在射频功放器件中扮演重要角色，InP在光通信器件中应用广泛。
　　
　　第三代半导体是指以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料，主要应用在半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器等领域。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）是第三代半导体的代表，具有宽禁带、高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特性，适用于射频、功率等领域的特性要求，射频器件主要采用GaN，功率器件主要采用SiC和GaN。
　　世间并不存在十全十美的半导体，能被业界选中并广泛使用的，都是在各个性能指标之间平衡的结果：频率、功率、耐压、温度……而且，就算各个指标表现优异，还得考虑制造工艺复杂性和成本。
　　自从人类1947年发明晶体管以来，50多年间半导体技术经历了硅晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路等几代，发展速度之快是其他产业所没有的。半导体技术对整个社会产生了广泛的影响。

　　半导体的功能分类
　　半导体从产品功能划分，有：集成电路、光电器件、分立器件和传感器四个领域，其中规模最大的是集成电路。据 WSTS 统计数据，2019 年这四种产品的市场规模分别为 3334 亿美元、416 亿美元、239 亿美元和 135 亿美元，占比分别为 81%、10%、6%和 3%。
　　
　　广义芯片包括集成电路、分立器件、光电子器件、传感器，狭义芯片单指集成电路。
　　
　　集成电路按照功能分为四大类：逻辑器件、存储器件、微处理器、模拟器件，根据 WSTS 数据，2019 年这四种集成电路芯片的市场规模分别为 1065 亿美元、1064 亿美元、664 亿美元和 539 亿美元，占比分别为 32%、32%、20%和 16%。

　　分立器件 分立器件（Discrete Devices）就是具有单一功能的电路基本元件，如电阻、电容、电感、晶体管等，此前做元器件时写过一篇，主要讲是电容，其余晶体管和功率半导体器件，也是半导体中非常重要的组成部分。
　　晶体管（Transistor）泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。
　　功率半导体器件又被称为电力电子器件，是电力电子技术的基础，也是构成电力电子变换装置的核心器件。
　　功率半导体器件按集成程度可分为功率IC和功率半导体分立器件。功率IC是将功率分立器件与驱动、保护等电路集成在一个半导体晶片上；功率分立器件可分为功率二极管、晶体管、晶闸管三大类别，晶体管中的MOSFET、IGBT、BJT应用最广泛。
　　
　　2019年全球功率半导体市场结构中，功率IC、MOSFET、IGBT、二极管是四种运用最为广泛的功率半导体产品，四者分别占比54%、16%、12%、15%。功率IC中，DC/DC转换器应用最为广泛，占比达到51%。
　　集成电路 与分立器件对应，集成电路（Integrated Circuit）就是把基本的电路元件如晶体管、二极管、电阻、电容、电感等制作在一个小型晶片上然后封装起来形成具有一定功能的单元。
　　集成电路是用半导体材料制成的电路的大型集合，它占据了半导体行业80%以上的份额，所以偶尔会以半导体代指集成电路；芯片是由不同种类型的集成电路或者单一类型集成电路形成的产品。
　　光电器件 光电器件（Photoelectric Device）是指能使光和电互相转化的新型半导体器件，即利用半导体的光电效应（或热电效应）制成的器件，主要类型有：利用半导体光敏特性工作的光电导器件（如光敏电阻、光电二极管和三极管等）、利用半导体光伏效应（Photo Voltaic Effect）工作的光电池和将电能转换成光能的发光器件等；此外还有把半导体发光器件和光敏器件组合封闭装在一起，组成的具有电-光-电转换功能的光电耦合器，用作光电开关，因为不存在继电器中机械点易疲劳的问题，所以可靠性很高。
　　
　　光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，目前在我国应用非常广泛。
　　发光二极管加电后可以将电能转换成光能。发光二极管的发光颜色（波长）因半导体材料及掺杂成分不同而不同。常用的有黄、绿、红等颜色的发光二极管。如氮化镓（GaN）被选出来作半导体材料的初衷，就是为了蓝光 LED 。
　　传感器 传感器（transducer/sensor）是一种新型半导体器件，它能够能实现电、光、温度、声、位移、压力等物理量之间的相互转换；传感器的主要工作就是将非电信号转换成电信号，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，适合计算机的要求，所以被广泛应用于自动化检测系统中；其特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。
　　
　　传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，根据其基本感知功能，分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。
　　传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成：
　　
　　如图所示，敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。传感器的微型化建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上。
　　半导体传感器的应用领域广泛，包括工业自动化、遥测、工业机器人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程和生物工程。

　　集成电路的四大类
　　广义上我们统称集成电路为芯片，通常芯片都是如图所见的手指甲大小的黑盒子，这种都是封装好的：
　　
　　集成电路可以把模拟和数字电路集成在一个单芯片上，做出如模拟数字转换器和数字模拟转换器等器件。
　　微处理器 具有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为微处理器（Micro Processor），中央处理器（central processing unit，CPU）是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件，伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上。
　　微处理器无处不在，无论是录像机、智能洗衣机、移动电话等家电产品，还是汽车引擎控制，以及数控机床、导弹精确制导等都要嵌入各类不同的微处理器，它不仅是微型计算机的核心部件，也是各种数字化智能设备的关键部件。
　　微处理器由算术逻辑单元（ALU，ArithmeTIc Logical Unit）、累加器和通用寄存器组、程序计数器、时序和控制逻辑部件、数据与地址锁存器/缓冲器、内部总线等组成，其中运算器和控制器是其主要组成部分，如下图。
　　
　　微处理器大致可以分为三类：通用高性能微处理器、嵌入式微处理器和微控制器。一般而言，通用处理器追求高性能，它们用于运行通用软件，配备完备、复杂的操作系统；嵌入式微处理器强调处理特定应用问题的高性能，主要用于运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操作系统，主要用于蜂窝电话、CD播放机等消费类家电；微控制器价位相对较低，在微处理器市场上需求量最大，主要用于汽车、空调、自动机械等领域的自控设备。
　　广义来说，一台计算机（PC或手机等）内部包含的CPU数量不会少于10个，其中：北桥、南桥、GPU、硬盘、SSD、基带芯片里面都不止一个CPU，作为任务调度的控制器，只不过这些CPU对程序与用户来说都是透明的。
　　微处理器包括MCU、MPU、CPU、GPU、DSP等，其发展史、指令集架构、微架构、处理器架构、CPU架构、内核等学习笔记，单开一章也不一定能写完。
　　存储芯片 存储芯片可以说是大数据时代的基石，计算机中的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中，手机、平板、PC和服务器等产品都会用到存储芯片。报告显示，存储芯片是半导体产业的重要分支，约占全球半导体市场的三分之一，被韩国和美国三大存储器公司垄断，韩国三星、SK海力士、美光占据了全球市场份额的95%。上一篇文章就是的，写得很匆忙，希望有机会重写一遍。
　　逻辑芯片 计算类芯片（逻辑电路）按照产业链划分，有设备、材料、集成电路设计、晶圆代工和封装测试五大领域，我国大陆芯片公司只占5%的市场份额，且处于芯片产业链的低端，从芯片产业的基础软件、底层架构、光刻胶及配套试剂等芯片材料，再到高端显示芯片、基础操作系统、集成电路专用装备和高精度加工设备，我国都依赖进口。
　　模拟芯片 用来处理模拟信号的集成电路，也就是模拟电路芯片，在汽车电子领域和5G时代的物联网中得以广泛应用。但全球模拟电路芯片的高端市场主要由ADI、TI等美国厂商占据，我国在高端的核心模拟电路芯片，比如高速数模转换芯片、射频芯片等方面对外依赖度较高。
　　1）放大电路：用于信号的电压、电流或功率放大。
　　2）滤波电路：用于信号的提取、变换或抗干扰。
　　3）运算电路：完成信号的比例、加、减、乘、除、积分、微分、对数、指数等运算。
　　4）信号转换电路：电流与电压信号的转换、直流与交流信号的转换等。
　　5）信号发生电路：用于产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波等。
　　半导体产业链全景
　　半导体产业链可以划分为上游、中游和下游：上游包括半导体材料、生产设备、EDA、IP核；中游包括设计、制造、封测三大环节；下游主要为半导体应用，例如3C（计算机、通信、消费类电子）、医疗、物联网、信息安全、汽车、新能源、工业等。
　　1990s，台积电开启了晶圆代工（Foundry）模式，无产线的设计公司（Fabless）纷纷成立，垂直分工成为全球性趋势，形成设计（Fabless）→制造（Foundry）→封测（OSAT）三大环节的垂直分工。