IGBT的结构与工作原理及晶圆推荐

在IGBT得到大力发展之前，功率场效应管MOSFET被用于需要快速开关的中低压场合，晶闸管、GTO被用于中高压领域。MOSFET虽然有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简单的优点；但是，在200V或更高电压的场合，MOSFET的导通电阻随着击穿电压的增加会迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在着不能得到高耐压、大容量元件等缺陷。双极晶体管具有优异的低正向导通压降特性，虽然可以得到高耐压、大容量的元件，但是它要求的驱动电流大，控制电路非常复杂，而且交换速度不够快。

IGBT正是作为顺应这种要求而开发的，它是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十KHz频率范围内。基于这些优异的特性，IGBT一直广泛使用在超过300V电压的应用中，模块化的IGBT可以满足更高的电流传导要求，其应用领域不断提高，今后将有更大的发展。

IGBT的结构与特性：

如下图所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N＋区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极E）。N基极称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极（即门极G）。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区（包括P＋和P－区，沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。而在漏区另一侧的P＋区称为漏注入区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极C）。

N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP（原来为NPN）晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N－沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P＋基极注入到N－层的空穴（少子），对N－层进行电导调制，减小N－层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。

近年来，国家大力推行碳中和政策，有望驱动清洁能源发电的快速发展，以及电动汽车渗透率的迅速提升，为IGBT带来强劲的增长动力。

在光伏和风电方面，IGBT是光伏和风电逆变器的核心器件，占逆变器价值量的20％－30％。最典型的应用场景就是光伏逆变器，需要大量高压、超高压的IGBT模块，将光伏发出的粗电转换为可平稳上网的精细电，这是实现碳中和的核心环节。

2021年12月光伏逆变器出口482．36万台，同比增长26．7％，环比增长4．9％；2021年全年出口4370．17万台，同比增长42．7％。2022年，预计光伏行业有50％的增长，各家逆变器厂商的出货量取决于拿到的芯片量，光伏IGBT依旧紧缺。

长期来看，2020－2025年全球光伏逆变器市场规模将从458亿元人民币增长至1096亿元，其中国内新增市场从72亿元增长至164亿元，海外新增市场从368亿元增长至915亿元。按IGBT占逆变器价值量20％来算，2025年全球、中国光伏逆变器用IGBT的市场规模将分别达到274、41亿元。

在新能源汽车方面，IGBT主要应用于电控系统，约占电控系统成本的37％。新能源汽车渗透率逐步上升，将持续拉动IGBT模块市场的需求。据测算，我国2025年新能源汽车IGBT市场规模将达165亿元，2020－2025年复合增长率高达31．5％。

乘联会统计2021年国内新能源汽车销量达到331．2万辆，同比增长181．0％，渗透率在15％，2022年新能源车销量预计在450－550万辆左右，渗透率将提升至20％以上，继续高增长。

其中，2022年新能源车主要增量在A级车，装载的是750V的IGBT模块，因此预计传统的1200V和650V供应会比较稳定，750V的IGBT模块供应相对紧缺。由于全球领军的英飞凌和日系厂商产能非常紧张，库存达到历史最低水平，同时扩产比较保守，向国内供给有限，国内厂商迎来国产替代机会。

除了以上光伏和新能车领域，储能、家电、工控等领域对IGBT的需求也较大。根据调研，2019年全球IGBT市场规模超过70美元，2021年突破100亿美元，到2026年有望达到190亿美元，复合增长率约为13．6％。

中国IGBT市场规模有望在2025年达到520亿元，2018－2025年复合增长率高达近20％。目前全球IGBT缺货涨价现象仍较为明显，中国企业有望把握机遇，加速推进国产替代，市场份额或将快速提升。

IGBT国产替代需求强劲，国内厂商持续加大投入，多家厂商产品取得良好进展。

目前，全球IGBT市场集中度较高，主要由国外领先厂商占据，2019年英飞凌、三菱、富士电机合计占据全球IGBT模块市场份额的58．0％，国内仅斯达半导一家进入前十，份额仅2．5％。对于国内市场，IGBT的国产渗透率不足15％。

在中美科技争端日益加剧，以及芯片产能紧张的背景下，下游国内客户在加速导入国产IGBT。假设2025年国内IGBT市场的国产渗透率达到30％，对应国内IGBT厂商的市场空间将达到156亿元，而2020年国内IGBT第一大厂商斯达半导的销售额仅为9．1亿元，未来增长空间巨大。

尽管国内IGBT厂商起步较晚，但随着持续的研发投入，下游厂商的配合，近年来国内厂商已取得明显的进展。

台湾茂矽电子降低晶圆导通电阻，通过六寸晶圆降低IGBT製造成本并得到较高的良率，并改善电动车关键零组件多得向英飞凌（Infineon）、意法半导体（ST）等国外大厂购买的情形。

目前市面上出现的晶圆直径主要是150mm、200mm、300mm，分别对应6英寸、8英寸、12英寸的晶圆；国产芯片在晶圆的产能上，也就是在6寸上有优势；

全球10大8”晶圆厂約有40座，其中33座在亚洲（台湾15座，中國8座）在2019－2021产能仅扩厂5％，仍不足以满足后续电动车与工业控制市场，导致IGBT持续涨价。

由工采网代理的台湾茂矽电子推出的IGBT晶圆 － P81MV022NL0013P是一款1200V、40A、FS工艺的6寸IGBT晶圆片；1200V壕沟和现场停止技术；低开关损耗；正温度系数；简单的平行技术。

芯片图：

茂矽电子成立于1987年，晶圆制造长期聚焦在功率半导体元件及电源管理IC领域，以MOS管、IGBT，模拟芯片、二极管等产品为主，打破国外垄断现象。

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