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解析MOS管电子元器件现状与面临如何挑战 MOS管发展趋势-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-04-26 

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MOS管現狀與挑戰

MOS管概述

mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導體(semiconductor)場效應晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)、半導體。MOS管的source和drain是可以對調的,他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下,這個兩個區是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認爲是對稱的。

MOS管把输入电压的变化转化为输出电流的变化。FET的增益等于它的跨导, 定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。市面上常有的一般为N沟道和P沟道,详情参考右侧图片(P沟道耗尽型MOS管)。而P沟道常见的为低压mos管。


MOS管器件的現狀及面臨挑戰發展趨勢


根據IHS及Gartner的相關統計,功率MOSFET占據約40%的全球功率器件市場規模。

MOS管現狀與挑戰


MOSFET全称Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,中文名为金属-氧化物半导体场效应晶体管,简称金氧半场效晶体管或MOS管,是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。而功率MOSFET则指处于功率输出级的MOSFET器件,通常工作电流大于1A。


由于功率器件的分類方式非常多樣,且各分類方式的分類邏輯並不存在上下包含的關系,因此在這裏我們從驅動方式、可控性、載流子類型這三個分類維度將功率MOSFET定義爲電壓驅動的全控式單極型功率器件。


MOS管現狀與挑戰


可以發現,功率MOSFET的電壓驅動、全控式和單極型特性決定了其在功率器件中的獨特定位:工作頻率相對最快、開關損耗相對最小,但導通與關斷功耗相對較高、電壓與功率承載能力相對較弱。


因此功率MOSFET会在两个领域中作为主流的功率器件:1.要求的工作频率高于其他功率器件所能实现的最高频率的领域,目前这个最高频率大概是70kHz,在这个领域中功率MOSFET成为了唯一的选择,代表性下游应用包括变频器、音频设备等。2.要求工作频率在10kHz到70kHz之间,同时要求输出功率小于5kW的领域,在这个领域的绝大多数情况下,尽管IGBT与功率MOSFET都能实现相应的功能,但功率MOSFET往往凭借更低的开关损 耗(高频条件下开关损耗的功耗占比更大)、更小的体积以及相对较低的成本成为优先选择,代表性的下游应用包括液晶电视板卡、电磁炉等。


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寬禁帶半導體材料叠代引領功率MOSFET性能演進

根據載流子種類與摻雜方式,MOSFET可以被分爲4種類型:N溝道增強型、N溝道耗盡型、P溝道增強型、P溝道耗盡型。


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由于功率MOSFET往往追求高頻率與低功耗,且多用作開關器件,因此N溝道增強型是絕大多數功率MOSFET的選擇。


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功率MOSFET自1976年誕生以來,不斷面對著社會電氣化程度的提高所帶來的對于功率半導體的更高性能需求。對于功率MOSFET而言,主要的性能提升方向包括三個方面:更高的頻率、更高的輸出功率以及更低的功耗。

爲了實現更高的性能指標,功率MOSFET主要經曆了制程縮小、技術變化、工藝進步與材料叠代這4個層次的演進過程,其中由于功率MOSFET更需要功率處理能力而非運算速度,因此制程縮小這一層次的演進已在2000年左右基本上終結了,但其他的3個層次的演進仍在幫助功率MOSFET不斷追求著更高的功率密度與更低的功耗。


MOS管現狀與挑戰


目前,市面上的主流功率MOSFET类型主要包括:由于技术变化形成的内部结构不同的Planar、Trench、Lateral、SuperJunction、Advanced Trench以及由于材料迭代形成的半导体材料改变的SiC、GaN。其中尽管材料迭代与技术变化属于并行关系,比如存在GaN Lateral MOSFET,但就目前而言,由于宽禁带半导体仍处于初步发展阶段,所有面世的宽禁带MOSFET的性能主要由材料性能决定,因此将所有不同结构的GaN MOSFET和SiC MOSFET 分别归为一个整体。


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受益于世界的電動化、信息化以及對用電終端性能的更高追求,預計2022年功率MOSFET全球市場規模可達億85美元

在《總覽》中我們提到,功率半導體行業是一個需求驅動型的行業,因此功率MOSFET行業的市場空間主要源于對功率器件的需求爲10kHz以上的工作頻率以及5kW以下的輸出功率的行業的市場空間。


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而這8個行業的主要增長動力,又主要源于三個趨勢:電動化趨勢、信息化趨勢以及對用電終端性能的更高追求趨勢。


電動化趨勢主要影響汽車電子以及工業這兩個行業,汽車行業的電動化無疑是當今世界電動化最顯著的一個特征,這既源于汽車行業每年全球近1億量的産銷量規模,也源自于汽車電動化後3-4倍的功率半導體用量規模增長;而工業則主要因爲電動化帶來整體用電量的提升,從而帶動包括電源、太陽能逆變器等電力傳輸領域行業的增長。


信息化趨勢主要影響無線設備、計算存儲以及網絡通訊這三個行業,就未來世界的趨勢而言,無論是物聯網或是AI,本質上都離不開更大程度上數據的收集、計算與傳輸,而數據量的增加,必將帶來用電量與用電設備的增加,從而提高在這些設備中會被主要使用的功率MOSFET的市場空間。


對用電終端性能的更高追求趨勢則主要影響音畫設備、家用電器以及醫療設備這三個行業。所謂對用電終端性能的更高追求,包括更高的音畫質、變頻降噪等舒適感需求以及更精准多樣的醫療設備檢測等。以對電腦畫質更高的要求爲例,更高的電腦畫質需求更高運算速度的GPU和更多的顯存,更高運算速度的GPU和更多的顯存又自然需求更多相的供電來驅動其穩定工作,而每一相供電都需要2-4個功率MOSFET。


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益于电动化、信息化以及对用电终端性能的更高追求带来的新增市场以及供需格局带来的价格变化,结合IHS、Yole Développement的相关测算,我们预计功率MOSFET市场在2018年将略高于2017年12%左右的增长速度达到13%,在2019年由于挖矿机、智能手机等下游行业的需求不振维持市场规模不变,在2020年以后由于物联网、AI、5G等信息产业的兴起回升至4%的年化增长速度,至2022年实现约85亿美元的市场规模,对应的复合年增长率为4.87%。

長期來看,恒逐峰者可覽衆山


低端控本高端重質,生産工藝演進進程決定功率MOSFET不同層次

盡管功率半導體長遠追求更高的功率密度以及更低的功耗,不同種類的功率MOSFET的市場地位與利潤空間卻並不完全由功率密度的高低與功耗的多少決定。比如Lateral型的功率MOSFET盡管屬于比較早期被研發成功的功率MOSFET,且存在耐壓低功率密度難以提升的缺陷,但利潤率一直較高。


有两个原因造成了目前的这种局面:1.功率半导体行业的整体发展方向是提高功率密度、降低功耗,但如果细化到某一个指标,比如工作频率时,后研发的Super Junction等类型的功率MOSFET并不比Lateral型更有优势;2.只有满足了下游行业特定性能需求的两种MOSFET才能形成替代,因此无法替代的Lateral型在市场地位中与技术更为先进的Super Junction等类型比肩,获得更高的超额利润。


由于功率半導體是一個需求驅動型的行業,因此,在將各類型的功率MOSFET分層來討論未來的結構趨勢時,我們更傾向于通過生産商與下遊的關系將不同的功率MOSFET比較抽象地分爲低端、中端和高端,而不依據功率密度的大小或功耗的多少來劃分。


MOS管現狀與挑戰


一般來說,低端層次的功率MOSFET所滿足的性能要求相對較低、容易達到,且這種MOSFET面臨著無從繼續進行生産工藝演進,或者對這種MOSFET進行生産工藝演進帶來的成本超過了其相對于更先進MOSFET的使用成本優勢。

對應到生産商的層面,我們認爲該層次的功率MOSFET領先生産廠商生産工藝演進已經停止,絕大多數市場參與者的産品性能差異性小,此時價格成爲下遊廠商選擇産品的主要原因。


中端層次的功率MOSFET所滿足的性能要求適中,想要生産出相應性能的功率MOSFET具有一定的難度,對這種MOSFET進行生産工藝演進帶來的成本低于其相對于更先進MOSFET的使用成本優勢或並不存在更先進的MOSFET可選方案。

對應到生産商的層面,我們認爲該層次的MOSFET領先生産廠商生産工藝演進仍在繼續但已處于中後階段,演進速度顯著放緩,生産工藝演進積累各不相同的生産商産品性能存在一定的差異,此時下遊廠商首先根據自己所需求的産品性能來選擇生産商名錄,其次再綜合考慮價格、供貨量等因素。


高端層次的功率MOSFET所滿足的性能要求高,想要生産出相應性能的功率MOSFET存在較高的技術壁壘,並不存在更先進的MOSFET可選方案。

對應到生産商的層面,我們認爲該層次的MOSFET領先生産廠商剛剛開啓生産工藝演進,演進速度較快,僅有領先廠商能夠生産該層次的MOSFET,此時下遊廠商更爲關注自己所需求的産品性能,對價格的敏感度較低。


因此我們認爲,上下遊與不同功率MOSFET的不同關系,本質上是由于生産工藝演進進程(等價于該MOSFET領先廠商的生産工藝演進進程)的不同而導致的。


其中由于下遊廠商不同的選擇標准,各類MOSFET部門的核心競爭力也各不相同。對于低端功率MOSFET部門而言,由于下遊廠商僅關注價格,成本控制能力成爲核心競爭力;對于高端功率MOSFET生産部門而言,自然高品質産品的生産能力成爲核心競爭力;而對于中端功率MOSFET部門而言則比較複雜,由于價格和性能對于不同下遊廠商的重要性動態變化,在産品性能與價格均具備一定市場競爭力的前提下,渠道能力決定了企業能找到多少與自身産品匹配的下遊客戶,從而決定了營收規模,成爲核心競爭力。


MOS管現狀與挑戰


長遠來看單類MOSFET産品層次會由高端向低端逐年下移,研發實力爲功率MOSFET企業核心競爭力


在前面,我們根據不同功率MOSFET的行業特性與上下遊關系將功率MOSFET分爲了低端、中端和高端三個層次,並總結了三個層次分類的本質原因是由于生産工藝演進進程的不同,以及三個檔次産品分別的核心競爭力。


但是功率MOSFET産品的核心競爭力與功率MOSFET企業的核心競爭力存在著較大的差別。同樣有兩點原因:1.對于一家功率MOSFET企業,很少有只生産一種層次的功率MOSFET産品。2.單類功率MOSFET的層次會由高端向低端逐年下移。


單類功率MOSFET的層次會逐年下移本質上是由于該類功率MOSFET的生産工藝演進進程會逐年成熟,當生産工藝演進進程達到中後期,演進速度放緩時,高端層次的功率MOSFET自然下移至中端層次,而當生産工藝演進進程結束時,中端層次的功率MOSFET自然下移至低端層次。


這兩年的汽車行業正好是一個非常好的觀察者,由于汽車行業非常關注安全性,因此對零部件的一致性與合格率有著非常高的要求,通常一個合格的産品仍然需要經曆1-2年的驗證周期。這就是爲什麽汽車行業對性能要求高,且需求的産品僅能由領先廠商生産,但有一部分卻使用的是中端的功率MOSFET的原因——汽車行業使用的是從高端層次自然下移至中端層次的功率MOSFET。


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