半導體，集成電路和晶元

半導體，集成電路和晶元Z#1003

半導體（semiconductor）， 是一類材料的總稱，常溫下導電性能介於導體（conductor）與絕緣體（insulator）之間；當電子從價帶獲得能量而跳躍至導電帶時，電子就可以在帶間任意移動而導電。一般常見的金屬材料其導電帶與價電帶之間的能隙非常小，在室溫下電子很容易獲得能量而跳躍至導電帶而導電，而絕緣材料則因為能隙很大（通常大於9電子伏特），電子很難跳躍至導電帶，所以無法導電。一般半導體材料的能隙約為1至3電子伏特，介於導體和絕緣體之間。因此只要給予適當條件的能量激發，或是改變其能隙之間距，此材料就能導電。常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅更是各種半導體材料中，在商業應用上最具有影響力的一種。

集成電路，英文為Integrated Circuit，縮寫為IC；是一種微型電子器件或部件。採用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、二極體、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，製作在一小塊半導體晶片或介質基片上，然後封裝在一個管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構；

晶元，英文為Chip；晶元組為Chipset。晶元一般是指集成電路的載體，也是集成電路經過設計、製造、封裝、測試後的結果，通常是一個可以立即使用的獨立的整體。「晶元」和「集成電路」這兩個詞在半導體行業中經常混著使用。

為什麼會產生集成電路？1942年在美國誕生的世界上第一台電子計算機，它是一個佔地150平方米、重達30噸的龐然大物，裡面的電路使用了17468隻電子管、7200隻電阻、10000隻電容、50萬條線，耗電量150千瓦 。顯然，佔用面積大、無法移動是它最直觀和突出的問題；1947年美國貝爾實驗室製造出來了第一個晶體管，晶體管具有電子管的主要功能，並且克服了電子管的上述缺點，因此在晶體管發明後，也就很快發明出來了集成電路。傑克·基爾比（Jack Kilby）和羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）在1958~1959期間分別發明了鍺集成電路和硅集成電路。

半導體行業主要分為這幾個分工：晶元設計（Design）,晶圓製造（Wafer Fabrication)、封裝測試(Assembly&Testing)，最後投向消費市場。 有的公司只做Design這塊，是沒有Wafer FAB的，通常就叫做Fabless。有的公司，只做代工，只有FAB,不做Design這塊，人稱Foundry。還有的公司就是從頭到尾都做，這種就叫IDM(Integrated Design and Manufacture)公司了。Fabless站在這個產業鏈的最高端，它們擁有利潤的最大頭，投入最少，收益最大，但是風險最高。有些甚至「三年不開張，開張吃三年」。

19世紀80年代以前，所有的集成電路製造企業都是IDM類型的企業，典型的如英特爾(Intel)、三星(Samsung)、德州儀器（TI）、東芝（Toshiba）、意法（ST）、瑞薩（Renesas）、英飛凌（Infineon）、恩智浦（NXP）等。

Fabless是晶元設計公司的主流商業模式，其核心競爭力在於產品的創新和知識產權，產品主要依賴Foundry來代工。典型的企業有高通（Qualcomm），NVIDIA，賽靈思（Xilinx）,博通（Broadcom）,聯發科（Mediatek）,威盛電子（Via），ATI，Sandisk，Altera等等。蘋果（Apple）也算是Fabless。

1987年，中國台灣積體電路公司（TSMC）的成立標誌著全球集成電路製造業中出現了一種新類型企業，晶元代工企業即Foundry。 Foundry的出現代表著集成電路產業的垂直分工模式的形成。經過幾十年發展，目前全球Foundry廠商主要分布在亞太地區，代表性企業有台積電（TSMC）、台聯電（UMC）、中芯國際（SMIC）、新加坡Global Foundry等。Foundry廠商與IDM廠商一起組成全球集成電路製造業的兩大陣營。 Foundry廠商的主營業務是晶元代工，其需求主要來源於無生產線的集成電路設計企業和IDM，此外，IDM廠商在一定程度上也進行一些晶元代工業務，如2010年11月2日 英特爾公司和Achronix半導體公司共同宣布，雙方已經達成協議，將使用Intel的22nm工藝生產線為Achronix製造高性能的FPGA可編程門陣列晶元產品。這是Intel首次向其他廠商開放其最先進的製造工藝技術。換句話來說，Intel也做起了代工業務。另一案例是三星為蘋果公司代工iPhone中使用的A4處理器。

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