一、簡介

半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。

半導體在集成電路、消費電子、通信系統、光伏發電、照明、大功率電源轉換等領域都有應用，如二極管就是采用半導體制作的器件。

大部分的電子產品，如計算機、智能手機等或是數字錄音機當中的核心單元都和半導體有著極為密切的關聯。

常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，硅是各種半導體材料應用中最具有影響力的一種。

無論從科技或是經濟發展的角度來看，半導體的重要性都是非常巨大的。

二、發現歷史

1833年，英國科學家電子學之父法拉第最先發現硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但法拉第發現硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導體現象的首次發現。

1839年，法國的貝克萊爾發現半導體和電解質接觸形成的結，在光照下會產生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應，這是被發現的半導體的第二個特性。

1873年，英國的史密斯發現硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應，這是半導體的第三種特性。

1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電，這就是半導體的整流效應，也是半導體所特有的第四種特性。同年，舒斯特又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半導體這個名詞。

1947年12月，貝爾實驗室完成并總結出半導體的這四個特性。

2019年10月，一個國際科研團隊稱與傳統霍爾測量中僅獲得3個參數相比，新技術在每個測試光強度下最多可獲得7個參數：包括電子和空穴的遷移率；在光下的載荷子密度、重組壽命、電子、空穴和雙極性類型的擴散長度。

三、半導體產業鏈全景

半導體產業鏈大致可以劃分為上游、中游和下游。

上游包括半導體材料、生產設備、EDA、IP核。

EDA，即電子設計自動化（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理設計的芯片功能模塊，通過授權允許客戶將其集成在其芯片設計中，通過流片形成最終的芯片產品。

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PC、醫療、電子、通信、物聯網、、信息安全、汽車、新能源、工業等。

半導體可以分為四類產品，分別是集成電路、光電子器件、分立器件和傳感器。其中規模最大的是集成電路，市場規模達到2,753 億美元，占半導體市場的83%

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

另外，分立器件、傳感器、光電器件也都在半導體行業中起著至關重要的作用，市場規模也都不小。分立器件主要包括二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。

四、生產模式與制造工藝

設計過程可以粗略的分為確定項目需求、系統級設計、邏輯設計、硬件設計四部分。

集成電路作為半導體產業的核心，由于其技術復雜性，產業結構高度專業化。隨著產業規模的迅速擴張，產業競爭加劇，分工模式進一步細化。

目前，全球半導體產業有兩種商業模式，即IDM（Integrated Device Manufacture，集成器件制造）模式和垂直分工模式。垂直分工模式主要包括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、德州儀器（TI）等,這種模式涵蓋設計、制造、封測等整個芯片生產流程。這類企業一般具有規模龐大、技術全面、積累深厚的特點。

而垂直分工模式中，則是IP核、設計、制造、封裝測試環節分離，IP核供應商提供專業的知識產權模塊，設計公司（Fabless）直接面對客戶需求，但只從事設計，將制造和封裝測試外包，即晶圓代工廠（Foundry）、封裝測試企業和IP核供應商為設計公司服務。

其中設計公司以高通、博通、聯發科、海思為代表，晶圓代工廠以臺積電、格羅方德、聯電、中芯國際為代表，封測以日月光、矽品、安靠、長電科技為代表。

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是電子設計自動化（Electronics Design Automation）的縮寫，EDA技術就是以計算機為工具，設計者在EDA軟件平臺上，用硬件描述語言VerilogHDL完成設計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術的出現，極大地提高了電路設計的效率和可操作性，減輕了設計者的勞動強度。

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，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等公司將自己的軟IP集成在設計軟件中，進一步增加了用戶黏性，也提高了行業壁壘。

半導體IP授權主要分為軟IP、固IP和硬IP。軟IP是用Verilog/VHDL等硬件描述語言描述的功能塊，不涉及具體電路元件。固IP是以電路元件實現的功能模塊。硬IP提供設計的最終階段產品—掩膜。

制備不同的半導體器件對半導體材料有不同的形態要求，包括單晶的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導體材料的不同形態要求對應不同的加工工藝。常用的半導體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長。

第三代半導體材料是以氮化鎵和碳化硅為代表的寬禁帶半導體材料，在導熱率、抗輻射能力、擊穿電場能力、電子飽和速率等方面優勢突出，更適用于高溫、高頻、抗輻射的場合。

當前全球芯片設計仍以美國為主導，美國IC設計公司占據了全球約68%的最大份額，臺灣地區IC 設計公司占16%，歐洲IC 設計企業只占了全球市場份額的2%，日韓地區Fabless 模式并不流行。

國內對于美國公司在核心芯片設計領域的依賴程度較高。

紫光展銳、華為海思等在移動處理器方面已進入全球前列。

中央處理器(CPU) 方面，英特爾幾乎壟斷了全球市場，國內相關企業約有 3-5 家，但都沒有實現商業量產，多仍然依靠申請科研項目經費和政府補貼維持運轉。龍芯等國內 CPU 設計企業雖然能夠做出 CPU 產品，而且在單一或部分指標上可能超越國外 CPU，但由于缺乏產業生態支撐，還無法與占主導地位的產品競爭。

目前全球存儲芯片主要有三類產品，根據銷售額大小依次為：DRAM、NAND Flash 以及Nor Flash。在內存和閃存領域中，IDM 廠韓國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別為75.7%和49.1%，中國廠商競爭空間極為有限，武漢長江存儲試圖發展 3D Nand Flash(閃存)的技術，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產 64 層閃存產品；在Nor flash 這個約為三四十億美元的小市場中，兆易創新是世界主要參與廠家之一，其他主流供貨廠家為臺灣旺宏，美國Cypress，美國美光，臺灣華邦。

FPGA、AD/DA 等高端通用型芯片，具有研發投入大，生命周期長，較難在短期聚集起經濟效益，因此在國內公司層面發展較為緩慢，甚至有些領域是停滯的。

芯片設計的上市公司，都是在細分領域的國內最強。比如匯頂科技在指紋識別芯片領域超越FPC 成為全球安卓陣營最大指紋IC 提供商，成為國產設計芯片在消費電子細分領域少有的全球第一。士蘭微從集成電路芯片設計業務開始，逐步搭建了芯片制造平臺，并已將技術和制造平臺延伸至功率器件、功率模塊和MEMS 傳感器的封裝領域。但與國際半導體大廠相比，不管是高端芯片設計能力，還是規模、盈利水平等方面仍有非常大的追趕空間。

五、設備

半導體設備處于產業鏈上游，貫穿半導體生產的各個環節。按照工藝流程可以分為四大板塊——晶圓制造設備、測試設備、封裝設備、前端相關設備。再具體來說，晶圓制造設備根據制程可以主要分為8 大類，其中光刻機、刻蝕機和 薄膜沉積設備這三大類設備占據大部分的半導體設備市場。同時設備市場高度集中，光刻機、CVD 設備、刻蝕機、PVD 設備的產出均集中于少數歐美日本巨頭企業手上。

中國半導體設備國產化率低，本土半導體設備廠商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。目前世界集成電路設備研發水平處于12 英寸5nm，生產水平則已經達到12 英寸7nm；而中國設備研發水平還處于12 英寸14-7nm，生產水平為12 英寸14nm，總的來看國產設備在先進制程上與國內先進水平仍有差距；具體來看65/55/40/28nm 光刻機、40/28nm 的化學機械拋光機國產化率依然為0，28nm化學氣相沉積設備、快速退火設備、國產化率很低。

六、材料

半導體產業發展至今經歷了三個階段：

第一代半導體材料以硅為代表；

第二代半導體材料砷化鎵也已經廣泛應用；

而以氮化鎵和碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等為代表的第三代半導體材料。相較前兩代產品性能優勢顯著，憑借其高效率、高密度、高可靠性等優勢，在新能源汽車、通信以及家用電器等領域發揮重要作用，成為業內關注的新焦點。

全球半導體材料市場規模443 億美金。

Si：主要應用于集成電路的晶圓片和功率器件;

GaAs：主要應用于大功率發光電子器件和射頻器件;

GaN：主要應用于光電器件和微波通信器件;

SiC：主要應用于功率器件。

半導體材料主要分為晶圓制造材料和封裝材料兩大塊。晶圓制造材料中，硅片機硅基材料最高占比31%，其次依次為光掩模版14%、光刻膠5%及其光刻膠配套試劑7%。封裝材料中，封裝基板占比最高，為40%，其次依次為引線框架16%，陶瓷基板11%，鍵合線15%。

日美德在全球半導體材料供應上占主導地位。各細分領域主要玩家有：硅片——Shin-Etsu、Sumco，光刻膠——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、封裝基板——松下電工，塑封料——住友電木。

七、制造

半導體制造在半導體產業鏈里具有卡口地位。制造是產業鏈里的核心環節，地位的重要性不言而喻。統計行業里各個環節的價值量，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Fabless（無晶圓制造的設計公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（封裝測試企業）的模式成為趨勢，Foundry 在整個產業鏈中的重要程度也逐步提升，可以這么認為，Foundry 是一個卡口，產能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中，臺積電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產業鏈末端，其附加價值較低，勞動密集度高，進入技術壁壘較低，封測龍頭日月光每年的研發費用占收入比例約為4%左右，遠低于半導體IC 設計、設備和制造的世界龍頭公司。

封測行業呈現出臺灣地區、美國、大陸地區三足鼎立之態，其中長電科技/通富微電/華天科技已通過資本并購運作，市場占有率躋身全球前十（長電科技市場規模位列全球第三），先進封裝技術水平和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產。

九、行業頭部廠商

半導體廠商可區分成三種：

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（如高通、聯發科、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（如臺積電、聯電），只制造芯片，不進行設計工作。

根據全球半導體貿易統計組織（WSTS）的數據，2018年全球半導體（含分立器件、光電子、傳感器、集成電路）市場規模高達4687.8億美元，而2019年預計市場規模將超過5000億美元。整個半導體產業中集成電路（IC）占83%，占比最大。

權威半導體第三方調研機構 IC Insights 發布了其 2020 年第一季度全球十大半導體（IC 和 OSD，OSD 是光電器件、傳感器和分立器件的縮寫）銷售排名，前十廠商分別是英特爾、三星、臺積電、SK 海力士、美光、博通、高通、德州儀器、英偉達和海思。

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

按地區來劃分，前十名中有 6 家美國公司、2 家韓國企業、中國大陸和中國臺灣各 1 家，其中四家為無晶圓廠公司（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、三星和臺積電。

數據顯示，英特爾 2020 年第 1 季營收 195.08 億美元，年增 23%，穩居全球半導體龍頭寶座。三星則以第一季度 147.97 億美元、年增 15%的營收緊隨其后，為第 2 大半導體廠。

而排名第三的臺積電，在海思與蘋果 7nm 智能手機應用處理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

半導體被稱為制造業皇冠上的明珠，半導體產業是信息技術產業的核心，是推動傳統工業轉型升級和提升中國“智造”水平的物質支撐，是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業。

2010年以來，全球半導體行業從PC時代進入智能手機時代，進入新一輪快速成長期。創新不斷推動行業發展，分工細化降低進入壁壘。

從具體產品分類來看，IC Insights提供的數據顯示，智能手機、PC、汽車電子、IOT（Internet of Things，物聯網）和服務器占據前五大的位置，智能手機仍是應用領域的第一大場景。

我國半導體產業的進口替代空間巨大。半導體產業鏈制造能力的不足使我國成為半導體進口第一大國。2018年，中國凈進口的集成電路全球占比高達56.45%。集成電路進口額從2015年起已連續4年超過原油，成為我國進口金額最大的商品。

半導體制造作為重資產行業，資本開支巨大。目前全球半導體產業的資本支出非常集中，前5大廠商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34%，達到新高900億美元之后，預計2018年全球資本支出將首次超過1000億美元，達到1026億美元，同比增長14%。

2014年工信部發布《國家集成電路產業發展推進綱要》以及隨后發起設立“國家集成電路產業投資基金”（簡稱“大基金”）以來，國內半導體產業的發展掀起新一輪熱潮。半導體產業的投資主體沿著中央政府-----地方政府-----產業資本的道路滾動推進。

國家大力推動半導體產業加速發展

據 Gartner預測，2019年、2020年、2021年、2022年，全球半導體市場銷售分別為4,890億美元、5,280億美元、5,190億美元、5,390億美元，分別增長2.5%、8.1%、-1.8%、3.8%。

半導體產業已成為全球創新最為活躍的領域。以5G、汽車電子、物聯網、AI（人工智能）、高性能運算、數據中心、工業機器人、智能穿戴等為驅動因素的新一輪硅含量提升周期到來，給半導體產業帶來新機遇。