MOSFET：最理想的功率器件

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）即金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。因其具有驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)被稱為最理想的功率器件。

MOSFET芯片結(jié)構(gòu)示意圖

來(lái)源：cnblogs

MOSFET是四端器件，所以除了柵極（G）、源極（S）、漏極（D）外，還有基極（B）。柵極G與漏極D及源極S是絕緣的，D與S之間有兩個(gè)PN結(jié)。一般情況下，襯底與源極在內(nèi)部連接在一起，這樣，相當(dāng)于D與S之間有一個(gè)PN結(jié)。

不同結(jié)構(gòu) MOSFET 適用不同電壓范圍，MOSFET 主要用于高頻率和中低壓中小功率應(yīng)用中。

常見(jiàn)的功率 MOSFET 類型

資料來(lái)源：新潔能，芯八哥整理

 

相較于其他功率半導(dǎo)體產(chǎn)品，MOSFET具有開(kāi)關(guān)頻率高，穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此MOSFET多應(yīng)用于汽車、工業(yè)等領(lǐng)域。據(jù)MEMS預(yù)測(cè)，2022年MOSFET終端應(yīng)用占比中，汽車占比為22%，計(jì)算機(jī)及存儲(chǔ)占比為19%，工業(yè)占比為14%。

2022 年 MOSFET 終端應(yīng)用占比預(yù)測(cè)

數(shù)據(jù)來(lái)源：MEMS，芯八哥整理

應(yīng)用廣泛，百億美元MOSFET市場(chǎng)正在爆發(fā)

2019 年全球 MOSFET 市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 79.29 億美元，2020 年全球 MOSFET 市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 80.67 億美元。2021 年在全球尤其是中國(guó)的 5G 基礎(chǔ)設(shè)施和 5G 手機(jī)、PC 及云服務(wù)器、電動(dòng)汽車、新基建等市場(chǎng)推動(dòng)下，全球 MOSFET 增速將以較高速度增長(zhǎng)。預(yù)計(jì) 2021年至 2025 年，MOSFET 每年的增速將不低于 6.7%，預(yù)計(jì) 2025 年將達(dá)到 118.47 億美元。

全球MOSFET市場(chǎng)規(guī)模（億美元）

數(shù)據(jù)來(lái)源：中金企信，芯八哥整理

5G 基站部署將拉動(dòng)MOSFET用量。2021 年中國(guó) 5G 基站建設(shè)在 60 萬(wàn)個(gè)以上，5G 基站對(duì)電源供應(yīng)需求大，射頻端功率半導(dǎo)體用量提升，霧計(jì)算、云計(jì)算拉動(dòng)功率半導(dǎo)體需求量。根據(jù)英飛凌， 5G基站采用的MOSFET等功率半導(dǎo)體用量是4G LTE基站的4倍以上。

基站中的MOSFET應(yīng)用

資料來(lái)源： EET、英飛凌

快充技術(shù)進(jìn)步，GaN-MOS逐步替代硅基MOSFET。隨著人們對(duì)充電效率的要求逐步提高，手機(jī)充電出現(xiàn)了“快充”模式，即通過(guò)提高電壓來(lái)達(dá)到高電流高功率充電，但高電壓存在安全隱患，需要添加同步整流的MOS管來(lái)調(diào)整﹔后來(lái)出現(xiàn)較為安全的“閃充”模式，即通過(guò)低電壓高電流來(lái)實(shí)現(xiàn)高速充電，這對(duì)同步整流MOS管的要求更高，目前較為普遍的是GaN-mos管，它可以實(shí)現(xiàn)發(fā)熱少、體積小的目的。

MOSFET在快充中的應(yīng)用

資料來(lái)源： 《第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)収展報(bào)告（ 2019年）》

新能源汽車快速發(fā)展，MOSFET需求爆發(fā)。2021年全國(guó)新能源汽車銷售350萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)157.5%。MOSFET是汽車電子的核心。無(wú)論是在引擎、或者驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的變速箱控制和制動(dòng)、轉(zhuǎn)向控制中還是在車身中，都離不開(kāi)MOSFET。在傳統(tǒng)汽車中的助力轉(zhuǎn)向、輔助剎車以及座椅等控制系統(tǒng)等，都需要加上電機(jī)，所以傳統(tǒng)汽車的內(nèi)置電機(jī)數(shù)量迅速增長(zhǎng)，帶動(dòng)了MOSFET的市場(chǎng)增長(zhǎng)。新能源汽車中，除了傳統(tǒng)汽車用到的半導(dǎo)體需求之外，還包括BMS、EPS、車身控制模塊網(wǎng)關(guān)ECU、ADAS等。

MOSFET在汽車上的應(yīng)用

資料來(lái)源 : 雷克薩斯

國(guó)產(chǎn)MOSFET廠商嶄露頭角，國(guó)產(chǎn)替代加速

全球市場(chǎng)格局方面，2020年全球MOSFET市場(chǎng)英飛凌占據(jù)24%的市場(chǎng)份額，位居第一。華潤(rùn)微、安世半導(dǎo)體、士蘭微入圍全球前十名企業(yè)，市占率分別為3.9%、3.8%和2.2%。

2020年全球MOSFET市場(chǎng)格局

資料來(lái)源： Omdia，芯八哥整理

受益于半導(dǎo)體行業(yè)日益深入的國(guó)產(chǎn)替代浪潮，目前國(guó)內(nèi)MOSFET廠商的營(yíng)收體量迅猛增長(zhǎng)，IDM模式占據(jù)主流。華潤(rùn)微是目前國(guó)內(nèi)營(yíng)業(yè)收入最大、產(chǎn)品系列最全的MOSFET廠商。

國(guó)內(nèi)主要MOSFET廠商介紹

資料來(lái)源：東微半導(dǎo)體，芯八哥整理

海外大廠產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)先，部分國(guó)產(chǎn)器件參數(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。600V高壓MOSFET產(chǎn)品橫向?qū)Ρ龋w凌G7產(chǎn)品性能最為出色，達(dá)到2.95Ω·nC，本土廠商大部分產(chǎn)品存在較高的柵電荷，開(kāi)關(guān)速度較慢，導(dǎo)致綜合性能低于海外大廠。60V中低壓MOSFET方面，國(guó)際品牌DFN5*6封裝形式產(chǎn)品的導(dǎo)通電阻最低達(dá)到0.93mohm，為安森美的NTMFS5C604NL，本土廠商在導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)速度方面處于劣勢(shì)。近年來(lái)隨著國(guó)產(chǎn)廠商產(chǎn)品技術(shù)持續(xù)優(yōu)化升級(jí)，有望進(jìn)一步縮小本土產(chǎn)品和海外產(chǎn)品的技術(shù)差距。

600V/0.16Ω左右MOSFET產(chǎn)品對(duì)比

數(shù)據(jù)來(lái)源：東微半導(dǎo)體，芯八哥整理

600V中低壓MOSFET產(chǎn)品對(duì)比

數(shù)據(jù)來(lái)源：東微半導(dǎo)體，芯八哥整理

MOSFET升級(jí)之路：制程縮小+技術(shù)變化+工藝進(jìn)步+第三代半導(dǎo)體

MOSFET更新迭代時(shí)間表

資料來(lái)源：新潔能、芯八哥整理

制程縮?。篗OSFET的生產(chǎn)工藝在1976-2000年左右跟隨摩爾定律不斷縮小制程線寬。生產(chǎn)工藝制程從早期的10微米制程迭代至0.15-0.35微米制程。

技術(shù)變化：MOSFET經(jīng)歷了3次器件結(jié)構(gòu)上的技術(shù)革新∶溝槽型、超級(jí)結(jié)、Insulated Field Plates。每一次器件結(jié)構(gòu)的變化，在某些單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)上產(chǎn)品性能得到飛躍，大幅拓寬產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。

工藝進(jìn)步∶在同一個(gè)器件結(jié)構(gòu)下，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)品FOM性能取得小幅改善。

材料迭代：SiC、GaN半導(dǎo)體功率器件興起。

隨著越來(lái)越多新能源車型采用碳化硅器件，顯示出碳化硅對(duì)傳統(tǒng)車用硅基IGBT的替代已經(jīng)逐漸展開(kāi)。特斯拉上海工廠和比亞迪在其電機(jī)控制器的逆變器中已經(jīng)采用了SiC MOSFET的芯片作為核心的功率器件。豐田、大眾、本田、寶馬、奧迪等汽車企業(yè)也都將SiC功率器件作為未來(lái)新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的首選解決方案。

國(guó)內(nèi)SiC供應(yīng)商中，比亞迪半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)了SiC三相全橋模塊在新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器中大批量裝車。2022年，國(guó)內(nèi)造車新勢(shì)力蔚來(lái)ET7、小鵬G9均采用了碳化硅器件。國(guó)內(nèi)車廠的SiC MOSFET滲透率有望加速提升，隨著搭載高功率電機(jī)的新能源車銷量增長(zhǎng)，車載SiC MOSFET需求將持續(xù)增長(zhǎng)。

大陸第三代半導(dǎo)體SiC產(chǎn)業(yè)鏈分布圖

資料來(lái)源： 材料深一度、方正證券研究所