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)體場效應(yīng)晶體管。因其具有驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性強等優(yōu)勢被稱為最理想的功率器件。

MOSFET芯片結(jié)構(gòu)示意圖

來源：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。

常見的功率 MOSFET 類型

資料來源：新潔能，芯八哥整理

 

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

2022 年 MOSFET 終端應(yīng)用占比預(yù)測

數(shù)據(jù)來源：MEMS，芯八哥整理

應(yīng)用廣泛，百億美元MOSFET市場正在爆發(fā)

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

全球MOSFET市場規(guī)模（億美元）

數(shù)據(jù)來源：中金企信，芯八哥整理

5G 基站部署將拉動MOSFET用量。2021 年中國 5G 基站建設(shè)在 60 萬個以上，5G 基站對電源供應(yīng)需求大，射頻端功率半導(dǎo)體用量提升，霧計算、云計算拉動功率半導(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

資料來源： EET、英飛凌

快充技術(shù)進步，GaN-MOS逐步替代硅基MOSFET。隨著人們對充電效率的要求逐步提高，手機充電出現(xiàn)了“快充”模式，即通過提高電壓來達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管來調(diào)整﹔后來出現(xiàn)較為安全的“閃充”模式，即通過低電壓高電流來實現(xiàn)高速充電，這對同步整流MOS管的要求更高，目前較為普遍的是GaN-mos管，它可以實現(xiàn)發(fā)熱少、體積小的目的。

MOSFET在快充中的應(yīng)用

資料來源： 《第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)収展報告（ 2019年）》

新能源汽車快速發(fā)展，MOSFET需求爆發(fā)。2021年全國新能源汽車銷售350萬輛，同比增長157.5%。MOSFET是汽車電子的核心。無論是在引擎、或者驅(qū)動系統(tǒng)中的變速箱控制和制動、轉(zhuǎn)向控制中還是在車身中，都離不開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，所以傳統(tǒng)汽車的內(nèi)置電機數(shù)量迅速增長，帶動了MOSFET的市場增長。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

資料來源 : 雷克薩斯

國產(chǎn)MOSFET廠商嶄露頭角，國產(chǎn)替代加速

全球市場格局方面，2020年全球MOSFET市場英飛凌占據(jù)24%的市場份額，位居第一。華潤微、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市場格局

資料來源： Omdia，芯八哥整理

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

國內(nèi)主要MOSFET廠商介紹

資料來源：東微半導(dǎo)體，芯八哥整理

海外大廠產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)先，部分國產(chǎn)器件參數(shù)達到國際先進水平。600V高壓MOSFET產(chǎn)品橫向?qū)Ρ龋w凌G7產(chǎn)品性能最為出色，達到2.95Ω·nC，本土廠商大部分產(chǎn)品存在較高的柵電荷，開關(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，國際品牌DFN5*6封裝形式產(chǎn)品的導(dǎo)通電阻最低達到0.93mohm，為安森美的NTMFS5C604NL，本土廠商在導(dǎo)通損耗和開關(guān)速度方面處于劣勢。近年來隨著國產(chǎn)廠商產(chǎn)品技術(shù)持續(xù)優(yōu)化升級，有望進一步縮小本土產(chǎn)品和海外產(chǎn)品的技術(shù)差距。

600V/0.16Ω左右MOSFET產(chǎn)品對比

數(shù)據(jù)來源：東微半導(dǎo)體，芯八哥整理

600V中低壓MOSFET產(chǎn)品對比

數(shù)據(jù)來源：東微半導(dǎo)體，芯八哥整理

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

MOSFET更新迭代時間表

資料來源：新潔能、芯八哥整理

制程縮小：MOSFET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、超級結(jié)、Insulated Field Plates。每一次器件結(jié)構(gòu)的變化，在某些單項技術(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。

工藝進步∶在同一個器件結(jié)構(gòu)下，通過對生產(chǎn)工藝進行調(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。

隨著越來越多新能源車型采用碳化硅器件，顯示出碳化硅對傳統(tǒng)車用硅基IGBT的替代已經(jīng)逐漸展開。特斯拉上海工廠和比亞迪在其電機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功率器件作為未來新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的首選解決方案。

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

大陸第三代半導(dǎo)體SiC產(chǎn)業(yè)鏈分布圖

資料來源： 材料深一度、方正證券研究所