半导体的主要四大应用

半导体是现代信息社会的基石，是现代工业的“粮食”，是电子设备产品生产制造的核心，它与我们的生活紧密相关。涉及到方方面面，半导体芯片、智能汽车、智慧电网、5G通信、航空航天、国防军工、医疗卫生等等。半导体的主要应用都有哪些？

半导体的物理特性决定了其主要用于制造集成电路、光电子器件、功率半导体器件和传感器四类产品。下面我们就逐一展开来介绍。

01 集成电路

集成电路（Integrated Circuit，IC），或称微电路（microcircuit）、微芯片（microchip）、芯片（chip），是一种微型电子器件或部件。它指通过采用特定的加工工艺，按照一定的电路互联，把一个电路中所需的晶体管、电容、电阻等有源无源器件，集成在一小块半导体晶片上并装在一个管壳内，成为能执行特定电路或系统功能的微型结构。

各种颜色的PCB板上布满着集成电路器件

而集成电路可以说是最为大众所熟悉的一种半导体应用产品了。不知是否还有人记得小霸王游戏机？它可谓是70、80、90后一代人的青春回忆。把各种各样的游戏卡带插入游戏机中，就可以玩到各式各样的游戏，那些再经典不过的超级马里、魂斗罗、坦克大战，不知道陪伴多少人度过了多少快乐时光。

为了节省成本和空间，当时的小霸王游戏机卡带中很多都是单片机（monolithic），也就是把游戏程序和CPU集成在一块芯片上的集成电路。这种集成电路的缺点是无法修改或升级，所以每当一款游戏出了新版本，我们都只能买新的卡带来替换。

说到这，就来为大家详细介绍一下集成电路的分类。

集成电路按照功能和结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路；
按照应用领域的不同，可以分为通用集成电路和专用集成电路；
按照制作工艺的不同，可以分为半导体集成电路和混合集成电路；
按照集成度的高低，又可以分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。

其中，重点要说一下的是按照功能和结构、制作工艺的两种分类。

按功能和结构的三分类中，

模拟集成电路是用来产生、放大和处理各种模拟信号的（指幅度随时间变化的信号），又称线性电路，例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等；

数字集成电路是用来产生、放大和处理各种数字信号的（指在时间上和幅度上离散取值的信号），例如5G手机、数码相机、电脑CPU、数字电视的逻辑控制和重放的音视频信号等；

数/模混合集成电路则是指在一个芯片上同时包含了模拟集成电路和数字集成电路，并实现了两者之间的转换和协调，例如模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）、声音芯片等。

按制作工艺分的两类中，

半导体集成电路是指把由半导体材料制成的晶体管等元件和连线全都制作在一块半导体晶片上的集成电路，也称为单片（monolithic）集成电路；

混合集成电路是指把元件和连线分别制作在不同层次的薄膜或厚膜上，并通过金属化连接起来的集成电路。相比之下，半导体集成电路具有更高的集成度和更好的性能，但制作难度和成本也更高。

在5G技术逐步被广泛应用，物联网技术不断普及的情况下，加上人工智能的快速发展都对IC的设计和制造都提出了更高的要求，未来IC也或将趋向于更高级别的集成化。

02 光电子器件

半导体光电子器件是利用光-电转换效应制成的各种功能器件，也就是说，通过光与电的转换和控制，这些器件可以实现多种多样的功能。其主要代表有LED（发光二极管）、LD（激光二极管）与光电探测器等等。这些器件在我们的生活中随处可见，如显示屏、照明灯、遥控器、扫描仪、光纤通信等领域都有广泛的应用。

一说LED，大家基本都知道，不就是发光二极管嘛！可实际上并不简单是这样。LED是一种能够将电能转化为可见光的半导体器件，它们可以发出各种颜色的光，而且具有体积小、寿命长、耗能低、色彩丰富的特点。我们看到的显示屏、照明灯、交通信号灯等，都是LED的最基础的应用。

如果说LED是 “身体”，那么LED芯片就是其“心脏”。LED芯片是LED的核心部件，是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。LED芯片需要经过封装、测试、分选等工序，才能成为可以使用的LED产品。

LED芯片还有很多不同的类型，如普通LED、OLED、MiniLED、MicroLED等，它们根据不同的发光原理和结构，具有不同的性能和特点，也分别适用于不同的领域。

LED芯片是LED产业链中最核心、附加值最高的环节，也是影响LED性能和质量的关键因素。随着LED技术的不断发展和创新，LED芯片也在不断提高其效率、亮度、稳定性和可靠性，以满足市场对于更高性能和更低成本的需求。

再来说说LD，听过这个的人可能相对少一些，但其实它就是半导体激光器件。LD（Laser Diode）是一种能够产生激光的半导体器件，它们可以发出单色、单向、相干的强光，具有体积小、效率高、调制容易、波长可调的特点。我们常说的到的光纤通信、激光打印、激光切割等，都是LD的应用。

半导体激光器组件

LD也被分为很多不同的类型，如非通信用激光芯片和光通信激光芯片，它们根据不同的工作波长和功率，被用在不同的场景中。

光电探测器我们接触的可就多了，你用来监测家里小猫小狗和小孩的摄像头就是典型的光电探测器应用，另外还有扫描仪、遥控器、太阳能电池等等许多常用设备都存在光电探测器的身影。

光电探测器也是通过将光能转化为电能来实现各种功能的半导体器件，它们可以检测各种强度和波长的光，并将其转换为电流或电压，从而传达出对应的电信号。如PIN二极管、APD（雪崩二极管）、CMOS图像传感器（CIS）等都属于光电探测器的范畴。

相机里的CMOS图像传感器就属于光电探测器

光电子是一个很大的领域，光电子器件在我们的生活中发挥着重要的作用，也推动了科技的进步和创新。随着半导体技术的不断发展，半导体光电子器件或将呈现出更多的新型形态和新颖功能。

03 功率半导体器件

功率半导体器件由功率半导体材料制作而成。功率半导体材料具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高电子迁移率等特性，可以在高温、高压、高频、大功率等极端条件下工作，实现电能的有效转换和控制。

数据源自：模拟设计期刊 ADJ 4Q 2020

功率半导体器件可分为功率半导体分立器件（Power Discrete，包括功率模块）和功率半导体集成电路（Power IC）两大类。因此，功率半导体分立器件实际上是功率半导体器件的一个子类。

功率半导体分立器件是指被规定完成某种基本功能，并且本身在功能上不能再细分的半导体器件，根据其结构和功能的不同，主要可分为功率MOSFET、IGBT、功率二极管、功率双极晶体管和晶闸管（可控硅）5大类型。

此处就来讲讲IGBT和可控硅。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），全称绝缘栅双极晶体管，

是一种电压驱动的复合型器件，由MOSFET和双极晶体管组成，输入部分为MOSFET结构、输出部分为双极结构。所以说，它兼具了二者的优点，具有输入阻抗高、电流放大能力强、导通电阻低、耐压高等特点。

IGBT的开关特性可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率，有逆变和变频的作用。它极其适用于中高频、中高压、大功率的交直流转换和变频调速应用，例如逆变器、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等。也正是如此，从小家电、数码产品，到航空航天、高铁领域，再到新能源汽车、智能电网等新兴应用都大量在使用IGBT。

可控硅（Silicon-Controlled Rectifier，SCR）是一种电流驱动的半控型半导体器件，

也被称为双向可控硅。它由两个双极晶体管组成（即4个交替的P型和N型半导体层），具有耐压高、容许电流大、可靠性高等优点，适用于低频、高压、大功率的交流控制和整流应用，如可控整流电源、交流调速电路等。可控硅基于其自身独特的电气特性（双向导电性和可控性），成为电子和电力应用领域中的重要组件。

而关于功率半导体集成电路，其实它就是指将功率半导体分立器件与驱动/控制/保护/接口/监测等外围电路集成而来的半导体器件，如IPM、SiC功率器件、电源管理芯片、驱动芯片等。

总的来说，功率半导体器件的特别之处就在于其具备了处理高电压、大电流的能力，可以在特殊的环境下工作，并能达到很高的开关速度和效率，只存在很低的开关损耗和导通损耗，同时还能保证较高的可靠性和稳定性。

04 传感器

传感器的历史可以追溯到古代，其最早的身影其实是人类利用自然现象或材料来测量或指示某些物理量的工具，就像中国古代的指南针、地动仪，阿基米德发现浮力原理、伽利略发明温度计，皮拉尼发明压力计，等等这些都属于“传感”的范畴。

随着科技进步，传感器已经突破了仅仅是对物理量的转换，越来越多基于物理、化学、生物等原理和效应的传感器相继出现。从广义上说，传感器是一种能够感知外界信息并进行转换的装置，但本文所介绍的作为半导体应用产品而存在的传感器，其实指向了某些固定的类别，即利用半导体材料或器件作为敏感元件的传感器。

英国Michell Easidew的露点仪

美国GE OXY.IQ 的氧分析仪

传感器按照按输入量分类，有物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器等。例如，温度传感器、压力传感器、气体成分传感器等；

按输出信号形式分类，有模拟信号传感器、数字信号传感器、开关信号传感器等。例如，电阻式传感器、光电式传感器、霍尔式传感器等；

按转换原理分类，有结构型传感器、物性型传感器、复合型传感器等。例如，电容式传感器、热电阻传感器、光声效应传感器等；

按功能分类，有热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件等。例如，热电偶、光电二极管、气敏电阻、应变片等。

21世纪，随着云计算、5G、大数据、AI 和物联网技术的爆发，智能传感器成为了新的研究热点和应用领域，它不仅具有传统传感器的功能，还具有数据处理、通信、自适应、自校准等功能。智能传感器可以实现对复杂环境和对象的高精度、高效率、高可靠性的监测和控制。例如这几年特别火的智能汽车、无人驾驶技术，都是靠大大小小各类传感器共同运作才得以实现的。