泛半导体的基础知识

一。泛半导体的定义与原理：

泛半导体（Pan-Semiconductor），是指包括半导体及显示行业等在内的，与半导体技术和应用密切相关的一系列产业集合，涵盖了从半导体材料、设备制造到芯片设计、制造、封装测试，再到显示面板、光伏等多个领域 。 具体可细分如下：

1）半导体领域：

包括集成电路，如逻辑芯片、存储芯片等；分立器件，如二极管、三极管等；光电子器件，如发光二极管、激光二极管等；传感器，如压力传感器、温度传感器等的制造。 半导体是构成各种电子器件的基础材料，在集成电路、分立器件、光电子器件及传感器等核心半导体领域中，通过对半导体材料进行掺杂、光刻、蚀刻等工艺处理，能够精确地控制其导电性能，从而制造出具有不同功能和特性的电子元件，如逻辑芯片、存储芯片、二极管、三极管、发光二极管、激光二极管、压力传感器、温度传感器等，这些元件是现代电子设备运行的关键部件。

半导体核心领域的技术发展不断推动着整个电子信息产业的进步。例如，随着芯片制造工艺的不断演进，从微米级到纳米级，甚至更小的制程技术，使得芯片的性能不断提升，功耗不断降低，从而为计算机、通信、消费电子等众多领域的发展提供了强大的动力，推动了电子产品向更小、更快、更强的方向发展。

半导体核心领域涵盖了从芯片设计、晶圆制造到封装测试等完整的产业链环节，这些环节相互依存、协同发展，共同构成了现代半导体产业的核心架构。其中，芯片设计是产业的“大脑”，决定了芯片的功能和性能；晶圆制造则是将设计转化为实际产品的关键过程，需要高精度的工艺和设备；封装测试则是确保芯片质量和可靠性的重要保障，通过封装和测试，芯片才能最终应用于各种电子设备中。

2）显示领域：

包含 OLED/LCD 显示、mini/micro 新型显示等，如液晶面板、有机发光二极管面板的生产。

半导体工艺和技术的进步对显示产品的性能提升起到了关键作用。在显示面板的制造中，薄膜晶体管（TFT）等半导体器件被广泛应用于控制像素的显示，其性能的优劣直接影响到显示画面的清晰度、色彩表现和响应速度等指标。随着半导体制造工艺的不断微缩，如TFT的制程从微米级向纳米级迈进，使得显示面板能够实现更高的分辨率、更快的刷新率和更低的功耗，为消费者带来了更好的视觉体验。

以常见的液晶显示面板（LCD）为例，它的显示机理基于液晶分子的光学特性和晶体管的电场控制，这都运用了半导体核心技术。同样LCD 面板由两片玻璃基板和夹在中间的液晶层组成。液晶分子具有特殊的排列方式，当没有电场作用时，液晶分子会按照一定的方向排列，使得光线能够透过液晶层。而当施加电场时，液晶分子的排列方向会发生改变，使液晶分子发生偏转，从而改变光线的偏极性，再利用偏光片决定像素的明暗状态。彩色滤光片每个像素包含红蓝绿三基色，这些发出红蓝绿色彩的画素便构成了面板上的影像画面。通过控制电场的强度和方向，可以精确地控制每个像素点的光线透过情况，从而实现基本图像和信息的显示。

同时，从传统的液晶显示器（LCD）到有机发光二极管显示器（OLED），再到新兴的微型发光二极管显示器（Micro LED）等，都需要大量的半导体芯片或集成电路来驱动和控制。例如，显示驱动芯片（DDI）是控制显示面板像素显示的核心芯片，其性能和功能的不断提升对于实现高分辨率、高刷新率和高色彩精度的显示效果至关重要。此外，随着显示技术的发展，如智能电视、智能手机、平板电脑等显示设备对半导体芯片的集成度和性能要求也越来越高，从而推动了半导体产业的发展。

3）光伏领域：

涵盖太阳能硅片、太阳能电池片、太阳能组件的研发生产。

光伏产业的核心是利用半导体的光电效应将太阳能转化为电能。当太阳光照射到半导体材料上时，光子的能量被半导体吸收，使得半导体中的电子从价带跃迁到导带，形成电流，从而实现了光电转换。常见的光伏材料如硅、砷化镓等都是半导体材料，通过对这些材料进行掺杂、制备等工艺处理，能够提高其光电转换效率，降低成本，推动光伏产业的发展。 在太阳能电池的制造过程中，采用类似于半导体芯片制造的光刻、蚀刻、扩散等工艺，可以精确地控制电池的结构和性能，提高电池的光电转换效率和稳定性。此外，半导体材料的研发和应用也为光伏产业带来了新的发展机遇，如新型的钙钛矿半导体材料具有较高的光电转换效率和较低的成本，有望成为未来光伏产业的重要发展方向之一。

二。泛半导体的历史沿革：

泛半导体的应用远早于其定义。半导体的应用最初是从一些简单的电子器件开始的，早期的晶体二极管在 20 世纪初就已经出现；对于芯片与集成电路而言，其经历过以下发展阶段：1）基础理论奠基阶段：1833年，英国科学家迈克尔·法拉第发现了硫化银的半导体电阻特性，其电阻会随温度上升而降低，这是人类发现的半导体的第一个特征，为后续半导体及芯片技术的发展奠定了理论基础。

2）电子管时代：1904年，世界上第一个电子管应运而生，电子管的发明为后来晶体管的出现奠定了基础，是电子技术发展的重要里程碑，当时的电子管主要应用于早期的无线电通信等领域。

3）晶体管时代：1947年，美国贝尔实验室的科学家肖克利、巴丁和布拉顿发明了世界上第一个晶体管，晶体管的出现是微电子技术发展历程中的第一个里程碑，它具有体积小、功耗低、寿命长等优点，使人类步入了飞速发展的电子信息时代，逐渐取代了电子管在电子设备中的应用，广泛应用于收音机、电视机等各类电子产品中。

4）集成电路时代：1958年，美国仙童公司的罗伯特·诺伊斯与美国德仪公司的杰克·基尔比，间隔数月，先后发明了“集成电路”，也就是常说的IC 。集成电路的出现开创了世界微电子学的历史，使半导体产业由“发明时代”进入了“商用时代”，为现代电子计算机等复杂电子设备的微型化和高性能化发展提供了可能。

5）微处理器及大规模集成电路时代：1971年，美国Intel公司推出了全球第一个微处理器4004芯片，同年还推出了1kb的动态随机存储器，标志着大规模集成电路的出现。此后，集成电路技术不断发展，芯片的集成度越来越高，性能也越来越强大，推动了计算机、通信、消费电子等众多领域的快速发展。

对于面板显示而言，其起源可以追溯到20世纪初甚至更高：

1）阴极射线管（CRT）显示：20世纪初，阴极射线管开始被研发，并于1950年左右得到了广泛应用 。其通过电子枪发射电子束，轰击荧光屏上的荧光粉，使其发光从而显示图像。该技术在电视机、电脑显示器等领域占据主导地位长达几十年，直到20世纪末平板显示技术逐渐成熟才被取代。

2）液晶显示（LCD）：1888年，奥地利植物学家兼化学家弗里德里希·莱尼泽发现了液晶材料；1968年，美国无线电公司（RCA）的乔治·海尔迈耶研发出第一片液晶显示面板。其利用液晶分子在电场作用下的排列变化，影响光的偏振和透过率，从而实现图像显示。该技术从最初的简单显示设备，如电子手表、计算器等，到后来的电脑显示器、电视机等，如今已广泛应用于各种电子设备。

3）等离子显示面板（PDP）：20世纪60年代开始研发，90年代逐渐成熟并投入商业应用。其通过在两块玻璃基板之间的惰性气体放电，产生紫外线激发荧光粉发光来显示图像。该技术曾在大尺寸电视领域有一定市场份额，但由于能耗较高等原因，后来逐渐被液晶电视等所取代。

4）有机发光二极管显示（OLED）：1987年，柯达公司的邓青云博士等人发明了OLED技术；2000年后开始商业化应用。该有机发光材料在电场作用下产生电流并发光，具有自发光、对比度高、响应速度快等优点。并在智能手机、平板电脑、高端电视机等设备中得到广泛应用，尤其是在柔性显示、可穿戴设备等新兴领域具有独特优势。5）Mini LED：2010 年代初期，Mini LED 技术被研发出来，当时主要针对提高显示屏亮度和节能效率。2019 年，TCL 推出全球首台 Mini LED TV X10 系列，实现了 Mini LED 产品的量产，2020 年其全球市场销量占有率超 90%.

6）Micro LED：2001 年，日本的佐藤隆之团队公布的一组 Micro-LED 阵列，同年，H.X.Jiang 团队也做出了一个无源矩驱动的 10×10 Micro-LED 阵列.2012 年，索尼在国际消费性电子展（CES）上推出的 Crystal LED Display，采用了 Micro LED 显示技术.2014 年 5 月苹果收购了 LuxVue，取得多项 Micro LED 专利技术，引起业界对 Micro LED 的普遍关注。

新能源电池的起源可以追溯到1860年，当年法国人普朗泰发明出用铅做电极的电池，这种电池在电压下降时，可以通以反向电流使电压回升，因其能充电并反复使用，被称为“蓄电池”。而新能源电池也经历了一系列的发展阶段：1）早期探索阶段：1780年，意大利解剖学家伽伐尼在解剖青蛙时，偶然发现用不同金属器械同时触碰青蛙大腿，青蛙腿部肌肉会抽搐，仿佛受到电流刺激，他称之为“生物电”。 - 1799年，意大利物理学家伏特在多次实验后，制成了世界上第一个电池“伏特电堆”，他将锌板和银板浸在盐水里，用浸透盐水的绒布或纸片间隔，平叠起来，连接两块金属的导线中产生了电流，这为后来电池的发展奠定了基础；

2）干电池的发明与发展：1860年，法国的雷克兰士发明了碳锌电池，其电解液由最初潮湿水性逐渐被黏浊状类似糨糊的物质取代，出现了“干”性电池。 - 1887年，英国人赫勒森发明了最早的干电池，其电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，获得广泛应用；

3）蓄电池的发展：1860年，法国人普朗泰发明铅酸蓄电池，这是最早的可充电电池。 - 1890年，爱迪生发明可充电的铁镍电池，并于1910年实现商业化生产；

4）锂离子电池的出现与发展：20世纪70年代，人们开始对锂离子电池进行研究 。- 1991年，索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物做正极的锂离子电池，锂离子电池具有工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长等优势，成为最适用于电动汽车的电池之一；

5）新能源汽车动力电池的兴起：21世纪初，随着新能源汽车产业的发展，锂离子电池因其性能优势，逐渐成为新能源汽车的主要动力电池。此后，新能源电池技术不断发展创新，例如磷酸铁锂电池、三元锂电池等在新能源汽车领域得到广泛应用，推动了新能源汽车产业的快速发展。

以上在整个泛半导体领域中的半导体、面板、新能源都早已取得应用，且衍生出了各型产品，但对于将半导体、面板、新能源因其机理相同相通而统称为“泛半导体”最早见诸于2020年前后的日本学者佐藤纯一的相关论著之中。