功率半导体行业浅析

一、 功率半导体概况







功率半导体是以电能转换为核心的半导体器件，通过对电流与电压进行调控实现电能在系统中的形式转换与传输分配，其作用近似于人体的血液循环系统，将调整后的电能输送到对应的用电终端，为系统运行提供基础保障。在以电供能的基础上，传感器将外界光、声音、压力和温度等物理量转换为电信号，通过模拟信号链芯片将电信号转换为数字信号给数字芯片进行计算处理并指导各部分芯片进行功能实现。










功率半导体可以分为功率IC和功率分立器件两大类，其中功率分立器件主要包括功率二极管、晶闸管、高压晶体管、MOSFET、IGBT等产品。在功率半导体发展过程中，20世纪50年代，功率二极管、功率三极管面世并应用于工业和电力系统。20世纪60至70年代，晶闸管等半导体功率器件快速发展。20世纪70年代末，平面型功率MOSFET发展起来。20世纪80年代后期，沟槽型功率MOSFET和IGBT逐步面世，半导体功率器件正式进入电子应用时代。20世纪90年代，超级结MOSFET逐步出现，打破了传统硅基产品的性能限制以满足大功率和高频化的应用需求。对国内市场而言，功率二极管、功率三极管、晶闸管等分立器件产品大部分已实现国产化，而功率MOSFET特别是超级结MOSFET、IGBT等高端分立器件产品由于其技术及工艺的复杂度，还较大程度上依赖进口，未来进口替代空间巨大。




根据Omdia预测，2019年全球功率半导体市场规模约为464亿美元，预计至2024年市场规模将增长至522亿美元，2019-2024的年化复合增长率为2.4%。









目前国内功率半导体产业链正在日趋完善，技术也正在取得突破。同时，中国也是全球最大的功率半导体消费国，2019年市场规模达到177亿美元，增速为-3.3%，占全球市场比例高达38%。预计未来中国功率半导体将继续保持平稳增长，2024年市场规模有望达到206亿美元，2019-2024年的年化复合增长率达3.1%。









二、功率分立器件概况







功率器件是快速的电子“开关”，通过切换“开”与“关”状态配合其驱动电路实现电流与电压状态的改变。其开关内部各功能的联系及交互影响决定了开关的特性，最终可实现直流-直流\交流-交流电压高低、电流频率及电流方向（整流\逆变）的改变，并应用于稳压器、变频器、逆变器、整流器及DC-DC电源中。









功率器件包括二极管、晶闸管及晶体管等品类，其中晶体管包括双极型（BJT）、场效应型如MOSFET及绝缘栅型如IGBT等器件。总体可按可控性、驱动方式及载流子类型等维度进行分类。







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二极管

二极管是由PN结或肖特基结(金属-半导体)构成的元件，具备单向特性即电流流动（正向）或不流动（反向）取决于施加电压的方向，以实现交流电整流的功能。根据其应用电压范围及结构可分为整流二极管、快恢复二极管、TVS二极管及肖特基二极管等。




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晶闸管

由PNPN四层半导体组成；当晶闸管接入正向电压并产生足够大的电流时，晶闸管就可导通，由于一旦导通后门极失效，因而为半控型器件。由于其没有导通和关断之间的放大区，因此通态内阻最小，发热最少，承受过电流能力极强且耐高压，可直接用于控制交流电。







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晶体管

由三个端子组成的器件，可通过控制三端的电流或电压实现器件的导通或关断，包括双极型（BJT）、场效应型如MOSFET及绝缘栅型如IGBT等器件。




（1）BJT即双极晶体管，具有电流放大的功能，可以将小信号转换成大信号。当小电流（IB）从基极流向发射极时，IB×hFE（直流电流增益）的电流从集电极流向发射极。BJTs有两种类型：NPN型和PNP型,NPN型包括低耐受电压到高耐受电压产品；PNP型主要为耐受电压为400V或以下的产品。




（2）MOSFET即金属-氧化物半导体场效应晶体管：通过控制漏极和源极、栅极与源极之间的电压，可使得电子在器件中形成“沟道”，实现器件的导通；通过调节电压的大小可以控制导通电流大小，最终实现“开”与“关”的切换。由于其为单极型器件，开关性能佳，适用于低电流密度和大约100kHz的开关电源。




（3）IGBT即绝缘栅双极型晶体管：作为MOSFET和BJT组成的复合功率半导体器件，其工作原理与MOSFET类似。既具备了MOSFET输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快的优势，也具备了BJT通态电流大、通电压低、损耗小等优点,解决了MOSFET高压情况下电流不能太大的问题，适用于高电流密度和20kHz以下的交流驱动条件下工作。




以电为能量来源的下游应用均需用到功率器件。一方面，新能源应用增加，电网、光伏、风电、储能、新能源汽车均需用到功率器件且集中于中高功率段，器件以IGBT、SiC器件及大功率晶闸管为主，对器件可靠性与热管理要求较高。另一方面，工业自动化（电机、UPS）、数据中心等场景对用电效率提升的要求催生了中功率段功率器件如IGBT、中高压MOSFET的应用，对器件集成度、可靠性及热管理均提出了要求。此外，在消费电子、电源等低功率应用中，硅基和GaN基功率器件均有应用，该类应用对器件的紧凑性和集成度提出了较高要求。









根据Omdia数据，2019年全球功率分立器件市场规模约为160亿美元。MOSFET器件是功率分立器件领域中占比最大的产品，全球市场份额达到52.51%；IGBT为第三大产品，2019年全球市场份额达到9.99%。中国市场中，MOSFET、IGBT占2019年中国功率分立器件市场份额分别为53.98%与9.77%，总体比例与全球市场的情况基本一致。

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