MOSFET:最理想的功率器件

MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)即金属氧化物半导体场效应晶体管。因其具有驱动功率小,开关速度快,工作频率高,热稳定性强等优势被称为最理想的功率器件。

MOSFET芯片结构示意图

来源:cnblogs

MOSFET是四端器件,所以除了栅极(G)、源极(S)、漏极(D)外,还有基极(B)。栅极G与漏极D及源极S是绝缘的,D与S之间有两个PN结。一般情况下,衬底与源极在内部连接在一起,这样,相当于D与S之间有一个PN结。

不同结构 MOSFET 适用不同电压范围,MOSFET 主要用于高频率和中低压中小功率应用中。

常见的功率 MOSFET 类型

资料来源:新洁能,芯八哥整理

相较于其他功率半导体产品,MOSFET具有开关频率高,稳定性强的优点,因此MOSFET多应用于汽车、工业等领域。据MEMS预测,2022年MOSFET终端应用占比中,汽车占比为22%,计算机及存储占比为19%,工业占比为14%。

2022 年 MOSFET 终端应用占比预测

数据来源:MEMS,芯八哥整理

应用广泛,百亿美元MOSFET市场正在爆发

2019 年全球 MOSFET 市场规模达 79.29 亿美元,2020 年全球 MOSFET 市场规模达 80.67 亿美元。2021 年在全球尤其是中国的 5G 基础设施和 5G 手机、PC 及云服务器、电动汽车、新基建等市场推动下,全球 MOSFET 增速将以较高速度增长。预计 2021年至 2025 年,MOSFET 每年的增速将不低于 6.7%,预计 2025 年将达到 118.47 亿美元。

全球MOSFET市场规模(亿美元)

数据来源:中金企信,芯八哥整理

5G 基站部署将拉动MOSFET用量。2021 年中国 5G 基站建设在 60 万个以上,5G 基站对电源供应需求大,射频端功率半导体用量提升,雾计算、云计算拉动功率半导体需求量。根据英飞凌, 5G基站采用的MOSFET等功率半导体用量是4G LTE基站的4倍以上。

基站中的MOSFET应用

资料来源: EET、英飞凌

快充技术进步,GaN-MOS逐步替代硅基MOSFET。随着人们对充电效率的要求逐步提高,手机充电出现了“快充”模式,即通过提高电压来达到高电流高功率充电,但高电压存在安全隐患,需要添加同步整流的MOS管来调整﹔后来出现较为安全的“闪充”模式,即通过低电压高电流来实现高速充电,这对同步整流MOS管的要求更高,目前较为普遍的是GaN-mos管,它可以实现发热少、体积小的目的。

MOSFET在快充中的应用

资料来源: 《第三代半导体产业収展报告( 2019年)》

新能源汽车快速发展,MOSFET需求爆发。2021年全国新能源汽车销售350万辆,同比增长157.5%。MOSFET是汽车电子的核心。无论是在引擎、或者驱动系统中的变速箱控制和制动、转向控制中还是在车身中,都离不开MOSFET。在传统汽车中的助力转向、辅助刹车以及座椅等控制系统等,都需要加上电机,所以传统汽车的内置电机数量迅速增长,带动了MOSFET的市场增长。新能源汽车中,除了传统汽车用到的半导体需求之外,还包括BMS、EPS、车身控制模块网关ECU、ADAS等。

MOSFET在汽车上的应用

资料来源 : 雷克萨斯

国产MOSFET厂商崭露头角,国产替代加速

全球市场格局方面,2020年全球MOSFET市场英飞凌占据24%的市场份额,位居第一。华润微、安世半导体、士兰微入围全球前十名企业,市占率分别为3.9%、3.8%和2.2%。

2020年全球MOSFET市场格局

资料来源: Omdia,芯八哥整理

受益于半导体行业日益深入的国产替代浪潮,目前国内MOSFET厂商的营收体量迅猛增长,IDM模式占据主流。华润微是目前国内营业收入最大、产品系列最全的MOSFET厂商。

国内主要MOSFET厂商介绍

资料来源:东微半导体,芯八哥整理

海外大厂产品技术领先,部分国产器件参数达到国际先进水平。600V高压MOSFET产品横向对比,英飞凌G7产品性能最为出色,达到2.95Ω·nC,本土厂商大部分产品存在较高的栅电荷,开关速度较慢,导致综合性能低于海外大厂。60V中低压MOSFET方面,国际品牌DFN5*6封装形式产品的导通电阻最低达到0.93mohm,为安森美的NTMFS5C604NL,本土厂商在导通损耗和开关速度方面处于劣势。近年来随着国产厂商产品技术持续优化升级,有望进一步缩小本土产品和海外产品的技术差距。

600V/0.16Ω左右MOSFET产品对比

数据来源:东微半导体,芯八哥整理

600V中低压MOSFET产品对比

数据来源:东微半导体,芯八哥整理

MOSFET升级之路:制程缩小+技术变化+工艺进步+第三代半导体

MOSFET更新迭代时间表

资料来源:新洁能、芯八哥整理

制程缩小:MOSFET的生产工艺在1976-2000年左右跟随摩尔定律不断缩小制程线宽。生产工艺制程从早期的10微米制程迭代至0.15-0.35微米制程。

技术变化:MOSFET经历了3次器件结构上的技术革新∶沟槽型、超级结、Insulated Field Plates。每一次器件结构的变化,在某些单项技术指标上产品性能得到飞跃,大幅拓宽产品的应用领域。

工艺进步∶在同一个器件结构下,通过对生产工艺进行调整,产品FOM性能取得小幅改善。

材料迭代:SiC、GaN半导体功率器件兴起。

随着越来越多新能源车型采用碳化硅器件,显示出碳化硅对传统车用硅基IGBT的替代已经逐渐展开。特斯拉上海工厂和比亚迪在其电机控制器的逆变器中已经采用了SiC MOSFET的芯片作为核心的功率器件。丰田、大众、本田、宝马、奥迪等汽车企业也都将SiC功率器件作为未来新能源汽车电机驱动系统的首选解决方案。

国内SiC供应商中,比亚迪半导体实现了SiC三相全桥模块在新能源汽车电机驱动控制器中大批量装车。2022年,国内造车新势力蔚来ET7、小鹏G9均采用了碳化硅器件。国内车厂的SiC MOSFET渗透率有望加速提升,随着搭载高功率电机的新能源车销量增长,车载SiC MOSFET需求将持续增长。

大陆第三代半导体SiC产业链分布图

资料来源: 材料深一度、方正证券研究所