半導體分立器件是一個統稱,在電子儀器儀表、計算機及相關設備、汽車電子、工業及自動化控制和消費電子等領域均有廣泛應用。半導體分立器件的用途主要是在電子電力設備中,充當開關、混頻、穩壓和整流的作用。
半導體分立器件的分類
按照制造技術來分類,半導體分立器件可以分為光電半導體、分立器件、存儲器、邏輯IC和模擬IC等。這些分類其實每一種都是半導體分立器件的一個大分支,下面又可以分為很多小類。
光電半導體
我們見到的最多的LED就是屬于光電半導體下面的一個小分類。除了LED,光電半導體還包括激光半導體、受光器件、光耦和光通訊器件等。
LED就是發光二極管,由含鎵(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成,原理是通過電子與空穴復合時產生輻射,并發出可見光。激光半導體又稱為激光二極管(Laser diode,簡稱LD),使用的材料包括砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激光二極管和發光二極管的發光原理類似,都是由電子與空穴結合而發光。不同的是,激光二極管注入的電流首先被集中在寬度從幾μm到10μm左右的窄縫中,電子在這個分為內與空穴結合,然后發光。
USHIO激光二極管
受光器件其實就是接收光子,并將光子轉換為電子的器件。受光器件包括光電二極管、光電晶體管、CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器等。
光電二極管(Photo Diode,簡稱PD)就是一個簡單的將光子轉換成電子的元器件,可以把它當成一個非常小的光能發電器來理解。光電晶體管本質上和光電二極管是一個東西,只不過光電晶體管在構造上會復雜多樣化一些。嚴格來說,光電二極管也可以劃分在光電晶體管下面,例如,光電三極管也屬于光電晶體管的一種。
濱松前照式 CCD 線陣圖像傳感器
CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器就不是簡單的光電子轉換器件了。CCD圖像傳感器的英文名稱是Charge-coupled Device,學名叫做電荷耦合元件。CCD圖像傳感器不僅可以把光信號轉變為電信號,還能把電信號轉換成數字信號進行輸出。CCD圖像傳感器上有兩個關鍵組件,一個是光敏物質,可以把它叫做像素,像素越多,畫面分辨率越高;另一個是感光電容,可以進行光信號、電信號和數字信號的轉換。兩者相結合,就能把光信號轉換成分辨率很高的數字信號。
CMOS圖像傳感器相比CCD圖像傳感器要更高階一些。CMOS圖像傳感器會集成更多的數字信號處理電路,比如模擬數字轉換器(AD轉換器)、白平衡處理、自動曝光量控制和非均勻補償等。CMOS圖像傳感器在隨機窗口讀取能力、多窗口跟蹤能力、抗輻射能力和可靠性方面均優于CCD圖像傳感器。
濱松CMOS線陣圖像傳感器
光耦又叫做光電耦合器或光電隔離器。通過將發光器(如發光二極管)和受光器(如圖像傳感器)封裝在一個管殼內,當輸入端接入電信號時產生光信號,再通過受光器轉換成電信號,實現“電-光-電”的控制。
輸入的是電信號,輸出的還是電信號,那為什么要多此一舉設計出光耦這種器件呢?這是因為在許多應用環境中,需要做到電氣隔離、防止原始電信號被干擾和信號放大等要求,所以才誕生了光耦。
分立器件
從2015年開始,一直到2020年,國產分立器件的產量和銷量就一直增長。截止到2020年,國產分立器件的產量達到了4885億只,相比上一年增長了8個點;銷售額為165.6億元,相比上一年增長了3個點。
分立器包括二極管、晶體管和晶閘管。其中,晶體管包括雙極晶體管、場效應管(Fidld Effect Transistor,簡稱FET)和絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,簡稱IGBT);晶閘管包括硅控整流器(Sillicon Controllde Rectifier,簡稱SCR)、柵極光閉晶閘管(Gate Turn off Thyristor,簡稱GTO)和光觸發晶閘管(Light Triggered Thyristor,簡稱LTT)。
其中,場效應管(FET)包括結合型FET和MOSFET。MOSFET是分立器中最重要的一種元器件。2019年,MOSFET的銷售額在整個分立器件中占到了36.3%。
MOSFET的全稱為金屬-氧化物半導體場效應晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor),被廣泛應用在模擬電路和數字電路領域。MOSFET的特點是熱穩定性好,工作頻率高,輸入抗阻高,開關速度快,所需驅動功率小、且驅動電路非常簡單,并且不存在二次擊穿的問題。
近年來,MOSFET的下游產業發展非常迅速,直接帶動了MOSFET的需求增長。以銷售額來計算,從2015年到2019年,MOSFET的復合年增長率達到了9.2%,實現銷售額53億美元。MOSFET可謂是分立器件中的一顆夜明珠。
總體來說,在光電半導體領域,國內廠家與國外,特別是日本的差距還是比較明顯的。高質量和高性能的光電半導體主要還是國外生產的,國內的產品只能以低質、低價的方式生存,一些高精尖的設備上,國產器件還是達不到性能要求。在分立器方面,國產器件的規模在不斷增長,特別是在MOSFET、二極管和三極管產線上。據預測,到2026年,國產分立器件的產量將突破1.6萬億只,市值將超過500億人民幣。