半导体设备在我们的日常生活中无处不在。半导体应用包括手机、笔记本电脑、计算机、电信、5G、云计算基础设施和汽车等消费电子产品。
几个类人传感系统可以在自动驾驶汽车中提供视觉功能。未来的汽车可能会结合两个或多个传感器系统。 （图片由 Yole Développement 提供）在当今制造的技术先进的汽车中，半导体设备用于关键功能，例如车辆的传感、安全功能、电源管理、显示和控制。半导体在混合动力汽车和电动汽车 (EV) 中的应用越来越多，目前增长显着，去年全球新增了超过 100 万辆电动汽车 [1]。
汽车制造 i全球半导体芯片短缺严重打击了工业。领先的汽车制造商报告称，由于这些短缺，产量减少了约 40% [2]。为了应对这种半导体芯片短缺，美国政府采取了几项举措，包括 CHIPS（创造有益的激励措施来生产半导体）美国法案。今天的短缺可以追溯到 COVID-19 大流行初期汽车需求下降导致汽车芯片减产。然而，高性能芯片的生产并没有放缓。随着全球劳动力因大流行病转移到远程工作环境和隔离区，对消费电子产品、智能手机、笔记本电脑和显示器的需求增加。半导体制造设施优先为这些电子产品而非汽车生产芯片。
半导体设备由硅、砷化镓或碳化硅衬底等材料的晶圆制成te 作为基础材料。尖端的纳米级制造技术以受控的方式沉积和移除材料，通常在数百个制造步骤中以原子精度进行，以获得最终的半导体芯片。半导体设备是在称为洁净室的专门设施中制造的，这些设施需要超洁净空气循环。减少洁净室空气中的颗粒物至关重要，因为颗粒物会导致小规模（纳米）制造工艺出现缺陷。洁净室和半导体制造工具（通常称为晶圆厂设备或 WFE）非常昂贵。半导体芯片的复杂制造过程是一个价值 5000 亿美元的产业，而且预计还会增长。半导体设备执行各种功能，例如微处理器、开关、光或热传感器以及信号放大——所有这些都适用于现代汽车。
与汽车集成的光伏或太阳能电池。（照片由 Fraunhofer ISE 提供）在本文中，我们将探讨半导体在汽车中的应用的几个方面：
安全和驾驶辅助：在现代汽车中，半导体器件实现了安全系统和半自动驾驶辅助系统。半导体器件实现的智能功能包括盲点检测系统、倒车摄像头、防撞传感器、自适应巡航控制、变道辅助、安全气囊展开传感器和紧急制动系统。
车辆电气化：车辆控制的多项功能现在采用电气系统而非机械系统。半导体对于实现这一目标至关重要。例如电气化还有助于提高汽车发动机或混合动力和电动汽车电池管理系统的燃烧效率，有助于从再生制动中回收能量系统和支持电动汽车技术。
连接和娱乐：现代汽车越来越多地使用连接技术，允许通过互联网进行通信，并支持 GPS、地图绘制路线和道路封闭以及紧急服务等功能。所有这些功能都由半导体设备实现。
未来具有半自动或全自动驾驶能力的车辆将需要具有类似人类的传感能力，例如视觉。半导体设备对于使用强大的车载计算系统感测和处理捕获的数据至关重要，这将为汽车提供可靠、准确和及时的控制系统。这种类似人类的感知能力可以通过图像相机、雷达、光检测和测距以及超声波传感器来实现。未来的汽车将结合两种或多种此类技术。
随着对电动汽车的要求和采用越来越多，开发充电功能的需求也越来越大用于补充 EV 能源或电池。半导体在快速补充 EV 电池所需的快速充电中起着至关重要的作用。此外，半导体还可以成为太阳能电池或光伏电池形式的能源。虽然充电基础设施更容易在城市和电网可达的地方建立，但人们担心长途高速公路或离网地点的充电会耗尽。根据地理位置和可用的太阳辐射，太阳能电池可以帮助产生用于电动汽车充电的清洁能源。
这种太阳能电池充电系统还可以减少电网的负载。使用太阳能电池为电动汽车充电可能有两种方法。第一种方法使用太阳能电池作为充电站。司机和乘客可以在车辆充电时使用沿路休息区的充电站。第二种方法使用与电动汽车集成的太阳能电池来生成车辆上的电。即使在太阳辐射具有季节性的地方，正在进行的研究也表明车辆集成光伏发电具有显着优势 [3]。目前，此类概念正在原型开发中，如 Fraunhofer ISE 开发的概念车所示。制造商正致力于将太阳能电池模块集成到未来的汽车中。
半导体在现代汽车的安全、电气化、通信和连接等各种功能中发挥着关键作用。随着未来混合动力和电动汽车在我们的道路上越来越普遍，预计汽车中半导体的使用会增长得更多。此外，以功率器件和太阳能电池形式存在的半导体也在创造使电动汽车可行所必需的关键充电基础设施。
参考资料：
[1] 电动汽车市场的增长, Pew Research Center, June 2021
[2]芯片短缺导致Toyot放缓a production，“纽约时报”，2021 年 8 月
[3] 车辆集成光伏技术减少了电动汽车的充电时间，“PV 杂志”，2021 年 2 月
