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1、常見的功率半導體類型及區別？
功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心，是實現電子裝置中電壓、頻率、直流交流轉 換等功能的核心部件。根據器件集成度不同，功率半導體可以分為功率 IC和功率分立器件兩大類。 功率分立器件包括二極管、晶體管、晶閘管三大類別，其中晶體管是分立器件中市場份額最大的種 類。常見晶體管主要有 BJT、IGBT和 MOSFET。IGBT和 MOSFET是當前市場關注度較高的功率型晶體 管。功率 IC是將晶體管、二極管、電阻、電容等元件集成在一個半導體晶片上，具有所需電路功能 的微型結構。根據運用場景的不同，功率 IC包括 AC/DC、DC/DC、電源管理、驅動 IC等種類。
功率 IC、IGBT、MOSFET、二極管是四種運用最為廣泛的功率半導體產品。根據 Yole數據，2017年功 率 IC 佔全球功率半導體市場規模的 54%，是市場份額佔比最大的功率半導體產品。MOSFET 主要運 用於不間斷電源、開關電源，變頻器音頻設備等領域，2017 年 MOSFET 市場規模佔功率半導體整體 市場規模的 17%；功率二極管主要用於電源、適配器、汽車、消費電子等領域，2017 年全球功率二 極管銷售額佔功率半導體整體銷售額的比例約 15%。由於 IGBT的操作頻率範圍較廣，能夠覆蓋較高 的功率範圍，適用於軌道交通、光伏發電、汽車電子等領域，2017年 IGBT的銷售佔比達到 12%。
1、功率二極管
功率二極管是一種不可控型的功率器件，因此功率二極管不可以作為開關器件使用，功率二極管電 流容量大，阻斷電壓高，但是開關頻率較低。功率二極管的單向導電性可用於電路的整流、箝位、 續流。外圍電路中二極管主要起防反作用,防止電流反灌造成期間損壞。功率二極管細分產品包括功 率整流二極管、功率肖特基二極管、快速恢復二極管、超快速恢復二極管、小電流整流二極管、變 容二極管等種類。
普通整流功率二極管一般採用 p+pnn+的結構，反向恢復時間長一般在 25微秒；電流定額範圍較大， 可以實現 1安培到數百安培的電流；電壓範圍寬，可以實現 5V-5000V的整流；但是普通整流功率二 極管高頻特性一般，一般用於 1KHz以下的整流電路中。
快恢復功率二極管（FRD）採用 PN結構，採用擴散工藝，可以實現短時間的反向恢復，一般反向恢 復時間小於 5微秒，廣泛的使用在變換器中。超快恢復功率二極管（UFRD）在快速恢復功率二極管 的基礎上，採用外延工藝，實現超快速反向恢復。
肖特基功率二極管（SBD）不是利用 P型半導體和 N型半導體接觸形成 PN接原理製作的，而是利用 金屬和半導體接觸形成的金屬-半導體結原理製造的。肖特基二極管具有開關頻率高和正向壓降低等 優點，但是反向擊穿電壓比較低，一般低於 100V。因此肖特基二極管一般用於高頻低電壓領域。
2、MOSFET
MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）簡稱金氧半場效晶體管，是一種可以廣泛使 用在模擬電路和數字電路的場效應晶體管。MOSFET可以實現較大的導通電流，導通電流可以達到上 千安培，並且可以在較高頻率下運行可以達到 MHz甚至幾十 MHz，但是器件的耐壓能力一般。因此 MOSFET可以廣泛的運用於開關電源、鎮流器、高頻感應加熱等領域。
為了滿足電氣化程度不斷提升的社會需求，功率型 MOSFET性能不斷被提升。MOSFET的改進主要圍 繞著更高的工作頻率、更高的輸出功率。目前市場上功率型 MOSFET可以分為 Planar MOSFET 和 trench MOSFET兩種類型。
早期的功率型 MOSFET也叫 LDMOS（later Double diffusion MOS），這種結構的 MOSFET可以實現大電流 傳輸，但是器件的柵、源、漏都在表面，因此器件的漏極和源極需要很長，十分浪費芯片面積。並 且由於 LDMOS的柵、源、漏都在同一個表面，在多個 MOSFET器件進行並聯時需要額外的隔離層， 工藝步驟增加。因此後來發展了 VDMOS（vertcal DMOS），這就是早期的 planer VDMOS MOSFET，這 種結構將原來 LDMOS器件的漏極統一放到器件的另一側，這樣使得漏極和源極的漂移區長度可以通 過背面減薄來控制，而且該種結構可以實現更有利於晶體管並聯。晶體管的並聯可以增大 MOSFET 的功率。這種結構的的表面處理工藝和傳統的 CMOS工藝兼容。
為克服 planer MOSFET中整體面積使用效率不高的問題，後來發展出 trench MOSFET器件結構。Trench MOSFET是將管子的溝道從原來的 planer變成沿著槽壁的縱向。這樣的結構雖然提升了硅片面積使用 效率，但是工藝難度加大，成本較高，並且當槽較深是容易擊穿，因此 trench MOSFET的耐壓性價差。 但是該種結構可以實現較多的晶體管並聯，可以導通的大電流，因此適合在低電壓和大電流的工作 環境。
3、IGBT
IGBT是由 BJT和 MOSFET組成的複合功率半導體器件，同時具備 MOSFET開關速度高、輸入阻抗高、 控制功率低、驅動電路簡單、開關損耗小的優點和 BJT 導通電壓低、通態電流大、損耗小的優點。 IGBT在功率 MOSFET的基礎上增加了一層，即在背面的漏極上增加一個 P+層。在引入 P+層之後，從 結構上漏端增加了一個 P+/N-driff的 PN結，該 PN結處於正偏狀態，不僅不影響導通反而增加了空穴 注入效應，該 PN結帶來的特性類似於 BJT有兩種載流子參與導電。因此 IGBT具備 MOSFET的開關速 度高、輸入阻抗高、控制功率低、驅動電路簡單、開關損耗小等優點，同時具備 BJT 導通電壓低、 通態電流大、損耗小等優點。IGBT 在高壓、大電流、高速方面有突出的產品競爭力，已經成為功率 半導體主流發展方向。
從 1988年 IGBT誕生至今，已經有七代 IGBT結構。第一代 IGBT(PT-IGBT)產品結構簡單，但是由於晶體結 構本身原因造成負溫度係數，並聯時各個IGBT原胞壓降不一致，不利於並聯運行，並且電流只有25A， 容量較小，因此沒有普遍使用。第二代 IGBT也稱為改進型 PT-IGBT是在 P+和 N-driff層時間加入 N-buffer 層，這一層形成的耗盡層可以減小芯片厚度、減小功耗，該種產品在 600V 以上具備優勢，但是 1200V 以上時外延厚度較大導致成本較高，並且可靠性降低。西門子是改進型PT-IGBT產品的主流廠商。
第三代 IGBT也稱為 Trench-IGBT，該種結構的思路和 trench MOSFET思路一樣，將溝道轉移到垂直面 上。該種結構導通電阻小，柵極密度增加不受限制，有效特高耐壓能力。由於需要使用雙注入技術， 製作難度較大。英飛凌的減薄技術處於世界先進水平，因此英在Trench IGBT時代英飛凌一舉成為IGBT 行業巨頭。
第四代為 NPT-IGBT，該種產品不再使用外延技術，而是使用離子注入技術生成 P+集電極（透明集電 極），該種結構可以精準控制結深進而控制發射效率，增快載流子抽取速度來降低關斷損耗，同時 該種結構具備正溫度係數，在穩態功耗和關斷功耗取得較高的折中，該種產品結構被廣泛的使用。
第五代FS-IGBT結合了第四代NPT-IGBT的“透明集電區技術”和“電場中止技術”。採用先進的薄片技 術並在薄片上形成電場中止層，有效的減薄芯片的厚度，是的導通壓降和動態功耗都有明顯下降。
第六代 FS-trench在第五代基礎上改進溝槽結構，增加芯片電流導通能力，優化芯片內載流子濃度和 分佈，減小芯片的綜合損耗和提高 IGBT耐壓能力。
2012 年三菱電機推出第七代 IGBT。IGBT7 採用了新型微溝槽（MPT）+電場場截止技術。它採用基於 n-摻雜的襯底的典型垂直 IGBT設計，p基區內的 n型重摻雜構成了發射極接觸結構。通過在電隔離的 溝槽刻蝕接觸孔，確定了溝道和柵極。在 n-襯底的底部，通過 p+摻雜實現了集電極區。在 n-襯底和 和 p+之間，通過 n+摻雜實現了場截止（FS）結構。IGBT7增加有源柵極密度，能夠增加單位芯片面 積上的導電溝道，全面優化 IGBT性能。根據富士電機發布的第七代 IGBT產品數據，相比於第六代 V 系列，IGBT7 可以使逆變器的功率損耗降低 10%，最高操作結溫度從 150℃提高到 175℃，這有助於 減小設備尺寸。
各類型功率器件由於結構不同，特性有所不同。MOSFET高頻特性較好，工作頻率可以達幾十KHz到上 千 KHz，能夠工作在高電流狀態下，但耐壓特性較差，在高功率領域應用受限。IGBT 耐壓高，高功率 領域應用優勢明顯，高頻特性弱於MOSFET。晶閘管高頻特性較差，在高功率領域應用優勢明顯。
4、化合物半導體
影響功率半導體器產品性能的主要有兩方面因素：一是器件結構，二是半導體材料。半導體材料的 禁帶寬度、飽和電子漂移速度、擊穿場強都會影響功率半導體性能。從半導體產業發展至今，半導 體產業主要經歷了三代材料技術演變，第一代是以硅（Si）、鍺（Ge）元素為主；第二代半導體材 料以砷化鎵（GaAs）為主；第三代半導體材料以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為主。
第一代半導體材料，尤其硅基半導體材料工藝成熟、成本較低，是目前半導體材料的主流，目前大 部分功率半導體和集成電路都是基於硅基的第一代半導體材料。但是第一代半導體材料禁帶寬度有 限，擊穿電壓低、飽和電子漂移速度低導致硅基半導體材料在面對高電壓、高頻、高功率運用場景 越顯捉襟見肘。第二代半導體是以砷化鎵（GaAs）為主，砷化鎵的運用主要集中在通訊領域，目前 手機功率放大器是砷化鎵的主要運用場景。砷化鎵生產成本較高，物理性能低於第三代半導體材料， 因此在功率放大器中難以被使用。
第三代半導體材料氮化鎵、碳化硅等材料在物理上具有能級禁帶寬的特點，因此第三代半導體材料 也成為寬禁帶半導體。同時，第三代半導體材料的導熱性能、高壓擊穿、電子飽和漂移速度均明顯 優於第一代、第二代功率半導體，因此第三代半導體在高溫、高功率、高壓、高頻等運用場景有明 顯的的優勢。
氮化鎵在高頻電路中優勢凸顯，是當前移動通訊中有力競爭者。氮化鎵半導體材料電子報和漂移速 度明顯高於其他半導體材料。因此氮化鎵通過高電子遷移率晶體管（HEMT：High Electron Mobility Transistor）率先在高頻電路上取得運用。但是氮化鎵在耐壓性、電流容量都比碳化硅低，在高功率、 高電壓運用場景性能低於碳化硅。因此當前氮化鎵的主要運用場景主要集中於基站端功率放大器、 航空航天等軍用領域。
碳化硅材料已在功率半導體市場嶄露頭角。碳化硅材料物理性能優於硅等材料，碳化硅單晶的禁帶 寬度約為硅材料禁帶寬度的 3倍，導熱率為硅材料的 3.3倍，電子飽和遷移速度是硅的 2.5倍，擊穿 場強是硅的 5 倍。相比於與硅材料，碳化硅在高溫、高壓、高頻、大功率電子器件具有不可替代的 優勢。目前碳化硅功率半導體已在特斯拉 model 3等高端車市場成功運用，未來汽車領域將是碳化硅 成長主要動力。碳化硅功率半導體的生產過程主要包括碳化硅單晶生產、外延層生產、器件製造三 大環節。目前英飛凌、意法半導體等國際主流廠商的 4 英寸碳化硅產品線居多，並向 6 英寸產品線 過度，龍頭廠商 CREE已經開發出 8英寸產品。目前高質量的碳化硅外延片主要有 CREE供應。
汽車半導體是未來碳化硅功率器件的主要推動力。碳化硅在高溫、高壓、大功率領域具有不可替代 的優勢，在電力控制和轉換、高壓等領域有著廣泛的運用。一汽電驅動研究所所長趙慧超表示，碳 化硅器件工作結溫在 200°C 以上，工作頻率可以達到 100kHz，耐壓可達 20KV，碳化硅器件體積可 以減小到 IGBT整機的 1/3~1/5，重量減小到原來的 40%~60%。目前碳化硅功率半導體已經在汽車主逆 變器、車載充電器、DC/DC 轉換器等核心部件上成功運用，未來汽車將是碳化硅成長的主要動力。 特斯拉 Model3中已使用碳化硅的 MOSFET，隨著 Model 3車型以及其他高端新能源車的量產，碳化硅 MOSFET需求有望迎來快速增長。根據 Yole統計數據，2017年全球碳化硅功率器件市場規模達到 3.02 億美元，較 2016年的 2.48億美元增長 22%，預計到 2023年全球碳化硅功率半導體生產規模達到 15 億美元，複合增長率達 30.6%，遠高於同期全球功率半導體市場規模增速。
碳化硅 MOSFET 的大規模運用尚需降低製造成本。當前碳化硅 MOSFET 為大規模運用於新能源車的 主要原因在於碳化硅 MOSFET成本高昂。根據 Yelo數據，CREE碳化硅 MOSFET成本達到**美元，同 等級別硅基 IGBT成本約為，英飛凌碳化硅的 MOSFET成本約，同等 IGBT成本約為，總體而言硅基 IGBT 的成本約為碳化硅 MOSFET的 25%。因此當前降低碳化硅 MOSFET生產成為成為產業研究重點方向。
氧化鎵或是未來高壓、高功率運用功率半導體材料的挑戰者。氧化鎵的禁帶寬度為 4.9eV，超過碳化 硅、氮化鎵等材料，採用禁帶更寬的材料可以製成系統更薄、更輕、功率更高的功率器件。氧化鎵 擊穿場強高於碳化硅和氮化硅，目前 β-Ga2O3 的擊穿場強可以達到 8MV/cm，是碳化硅的兩倍。氧化 鎵更有可能在擴展超寬禁帶系統可用的功率和電壓範圍方面發揮作用。氧化鎵最有希望的應用可能 是電力調節和配電系統中的高壓整流器，如電動汽車和光伏太陽能系統。氧化鎵的導熱率低，散熱 性能差是限制氧化鎵市場運用的主要因素。氧化鎵的熱管理研究是當前各國研究的主要方向，如若 未來氧化鎵的散熱問題被攻克，氧化鎵將是未來高功率、高壓運用的功率半導體材料的有力競爭者。
2、功率半導體主要應用領域有哪些？
功率半導體下游運用廣泛，包括工業控制、4C、新能源車、光伏等領域。功率半導體是電力電子技 術的基礎，也是構成電力電子轉換裝置的核心器件，應用範圍覆蓋工業控制、4C 領域（Computer 計 算機產品、Communication 通訊產品、Consumerelectronics 數碼家電、COM 網絡產品）、新能源車、光 伏、智能電網等領域。根據 IHS數據，2018年，全球功率半導體市場規模達到 391億美元，同比增長 5.9%，2021 年全球功率半導體市場規模有望達到 441 億美元，複合增長率達到 4.1%；我國功率半導 體市場規模達到 138 億美元，佔據全球功率半導體市場的 31%，2021 年我國功率半導體市場規模有 望達到 159億美元，年複合增長率達到 4.83%，超過全球功率半導體增長速度。
1、汽車電動化：功率半導體發展新動能
汽車電動化帶動單車半導體價值量的提升。與傳統燃油車相比，新能源車多了電池、電機、電機控 制器、DC/DC、空調驅動、充電器的裝置。電動車的空調、充電系統、逆變器、DC/DC等核心部件都 需要功率器件實現供電電壓和直流交流的轉換。根據英飛凌預測，2019年輕度混合動力汽車（MHEV） 單車半導體元器件價值量約為 531 美元，而插電混合動力汽車（PHEV）、純電動汽車（BEV）半導 體元器件價值量分別達到 785美元、775美元，較 MHEV分別提升 47.83%、45.95%。
MOSFET、IGBT等功率半導體器件是汽車電動化的受益核心。與傳統動力汽車不同，新能源汽車需要 使用大量的電力設備，將實現能量的轉換。新能源汽車中 AC/DC充電機變換器、DC/DC升壓變換器、 DC/DC 降壓變換器、雙向 DC/AC 逆變器、充電樁等部件需要了大量的功率半導體實現能量的轉換。 根據 on semiconductor 數據，電動車的價值量電源解決方案的價格約為 400美元，遠高於傳統動力汽 車的 40美元。MOSFET和 IGBT是實現供電電壓和直流交流轉換的核心部件，因此汽車電動化帶動單 車功率半導體價值量。電機控制器是新能源車的核心部件之一，IGBT 是電機控制器的核心電力電子 元器件。根據驅動視界統計數據，電機控制系統成本佔據整車成本的 15%~20%，而 IGBT模塊佔據電 機控制模塊成本的 37%。1200V以下 IGBT和 MOSFET是電動車電源解決方案核心部件。
高端車型提升單車功率半導體的價值量。在高端車型中，特斯拉 model S使用了 84個 IGBT為三相感 應電機供電；model X 使用 132個 IGBT，其中後電機為 96個，前電機為 36個，整車 IGBT成本達到 650 美元。從 model 3開始，特斯拉開始使用碳化硅功率半導體替代傳統硅基功率半導體，改善整車的續 航能力等性能實現高效變電。高端車型的單車功率半導體價值量不斷提升，中低端車型有望跟進， 電動車平均單車功率半導體價值量有望進一步提升。
大眾、福特、寶馬等傳統車企擴產新能源車，特斯拉、比亞迪等新興電動車車企異軍突起，汽車電 動化趨勢不可逆轉。在汽車電動化趨勢下，各大傳統車企紛紛佈局新能源車，新能源車將成為傳統 車企成長新動能。2019年 11月，大眾集團發佈 5年規劃，預計 2020-2024年集團將在電動車領域投資 600億歐元，2020、2025年電動車銷量目標分別為 40、300萬輛，佔其汽車銷量的佔比為 4%、20%； 計劃至2029年將生產2,600萬輛電動車。福特計劃到2020年實現新能源車銷量佔全球總銷量10%-25%。 根據 IHS數據，2018年全球電動車銷量達到 700萬輛，預計 2023年將達到 3,300萬輛，5年複合增長 率達到 41%。
汽車電動化除了帶來車身功率半導體價值量的提升之外，新增的充電樁也將帶來功率半導體增量。 工信部、國家能源局聯合發佈《提升新能源汽車充電保障能力行動計劃》提出利用三年時間優化充 電基礎設施發展環境，千方百計實現“一車一樁”接電需求。新能源汽車的普及將大幅提高對充電 的需求。根據意法半導體數據，2020年美國/歐洲/中國新能源車充電需求分別為 60億千萬時、40 億 千瓦時、80億千瓦時，預計 2030年將分別達到 530億千瓦時、790億千瓦時、1,390億千瓦時，複合 增長率分別達到 24%、34.76%、33.76%；2020年美國/歐洲/中國充電器數量分別為 200萬個、100萬個、 100萬個，預計 2030年將達到 1,300萬個、1,500萬個、1,400萬個符合增長率分別達到 20.58%、31.10%、 30.2%。根據工信部發布《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015-2020 年）》，到 2020 年將新建超 過 480萬個分佈式充電樁。
MOSFET、IGBT是充電樁實現電能轉換的核心元器件。在充電樁中，同樣需要 DC/DC等功率器件實現 供電電壓和頻率的轉換。根據 ON semiconductor數據，充電站中的 MOSFET、IGBT、功率二極管等功 率半導體價值量將達到 500美元。
2、新能源發電帶動高壓功率半導體需求
IGBT模塊是光伏發電逆變器和風力發電逆變器的核心零部件，新能源發電助力功率半導體持續增長 驅動力。太陽能、風能產生的電能不符合電網要求，光伏逆變器/風力發電逆變器可以將其整流成直 流電，然後在逆變成符合電網要求的交流電後輸入併網。
IGBT是光伏逆變器和風電逆變器的核心零部件。光伏逆變器的功率組價主要是由 IGBT和功率二極管 組成，風力發電逆變器中的功率組件和光伏逆變器的功率組件類似。光伏逆變器和風電逆變器中的 IGBT主要是 1200V-1700V的 IGBT。
國內光伏需求強勁，我國經濟基本面良好帶動社會用電量攀升，新能源發電空間大。雖然近年來我 國經濟發展速度有所放緩，GDP增速仍然保持在 6%以上，我國依然是全球經濟增長的引擎。經濟發 展帶動社會用電量的攀升，根據國家統計局統計數據，2019年我國社會用電量達到 72,255億千瓦時， 同比增長 5.61%。另一方面，我國供電結構尚需改善，光伏發電、太陽能發電比例提升空間大。從我 國電力供應結構上看，火力發電是我國供電的主力，根據國家統計局統計，2020 年 2 月火力發電佔 比達到 76.04%，而太陽能發電和風力發電佔比僅為 5.78%、1.75%。由於煤炭資源是不可再生，並且 火力發電會帶來環境破壞等問題，因此我國能源結構改善空間較大，未來光伏發電和風力發電的滲 透率有望進一步提升。根據產業信息網數據，2020年我國風電裝機容量有望達到 270GW，2025年我 國光伏累計裝機容量有望達到 400GW。
3、家電變頻需求
功率半導體是實現變頻技術的核心半導體器件。變頻技術是使用 IGBT、MOSFET、晶閘管等功率半導 體元器件對電能實現變換和控制，從而實現電壓頻率的變化。變頻技術的運用主要集中於 家電、新 能源車、軌道交通等領域，其中變頻家電是最重要的運用領域。相比於傳統的白色家電，變頻白色 家電更加高效節能，能夠實現精準控制，實現舒適靜音，能夠實現多樣化功能。根據英飛凌數據， 變頻技術能夠使得家電節約 60%的能效。
變頻技術在白色家電的滲透率快速提升。近年來，變頻家電全面推廣，尤其是變頻空調的推廣。變 頻空調因為低頻啟動、啟動電流較小、能夠快速製冷、節能等優點受到消費者青睞。根據產業在線 統計數據，變頻家用空調出貨量在家用空調中的佔比從 2010年的 17%提升到 2018年上半年的 41%， 提升 24個百分點；變頻洗衣機的滲透率從 2011年的 9%提升到 2018H1的 39%，提升 30個百分點；變 頻冰箱的滲透率從 2011年的 4%提升到 2017年的 17%。
受益於變頻白色家電的快速滲透，家電用功率半導體需求上升。家電的變頻化、網絡化發展帶動 IGBT、 MOSFET、IPM等功率器件的快速發展。根據 IHS數據，2017年家電用功率半導體市場規模為 14.47億 美元，2021年有望增長至 26.68億美元，四年複合增長率達 16.5%。
4、5G 通訊拉動功率半導體需求
5G massive MIMO技術帶動單站用功率半導體需求量。全球移動通信技術進入 5G時代，相比 4G通訊 技術，5G使用毫米波、massive MIMO等技術實現大帶寬、低時延網絡傳輸。2019年 6月，工信部向 三大運營商發放 5G牌照，三大運營商獲得頻譜在 2GHz以上，高於 4G的頻譜，未來 5G頻譜有望演 進到毫米波。信號頻率越高帶來的衰減問題越嚴重，對基站端發射功率構成了巨大的挑戰。另一方 面，4G使用 MIMO技術一般不超過 4T4R，但在未來 5G種的 massive MIMO有望達到 64T64R甚至更高 階數。Massive MIMO的大規模使用提升基站對電源管理的需求，根據英飛凌數據，4G MIMO射頻板上 功率半導體的價值量約為 25美元，但 5G massive階段的射頻板功率半導體價值量將提升到 100美元， 是 MIMO射頻板的 4倍。
5G 基站建設規模高於 4G 基站數，功率半導體受益。在無線通信中，信號的頻率越高，信號的強度 衰減越快，覆蓋的範圍就會越小。由於 4G通信的可用頻段比 3G頻率高，為了保證良好的 4G信號覆 蓋， 4G基站的數量保持上升的趨勢。 截至 2018年，我國的 4G基站 372萬站， 3G基站的數量為 117 萬站， 4G的基站的數量 為 3G基站的 3.2倍。5G的頻段 在 2600MHz以上 ，比 4G的頻率更高，為了 保證良好的信號覆蓋， 基站的需求量將會大幅度增加。 獲得根據 中國聯通網絡技術研究員預測 5G 宏基站的需求量約是 4G基站的 1.5 倍， 2018年 4G基站的數量為 372萬站，因此 5G宏基站至少需要 558 萬站。為了實現 5G在熱點區域的良好信號覆蓋， 5G需要在熱點區域建設大量小基站。未來宏基站+ 小基站數量的增長將帶來通訊用功率半導體的爆發。
此外，5G帶來數據爆發式增長，這將帶來數據中心的建設和雲服務規模的提升。數據中心的建設將 帶動 AC/DC、DC/DC等電源管理模塊的需求 ，通訊用功率半導體市場規模進一步提升。
5、工業互聯網需求
工業領域實功率半導體運用最大的領域，功率半導體在工業的運用範圍較廣，數控機床、鼓風機、 發電系統、軋鋼機等工業設備均需要使用功率半導體器件。另一方面，由於我國人口紅利逐漸消失， 提高社會生產效率成為必然選擇，未來工業將朝著自動化、聯網化方向發展。根據前瞻產業研究院 預測，2019年我國工業互聯網市場規模達到 6,080億元，預計 2024年將達到 12,500億元，5年複合增 長率達 15.5%。功率半導體是實現電力控制核心零部件，未來有望在工業互聯網大潮中迎來需求的增 長。根據 ON semiconductor數據，相比於人工生產，機器人生產的將帶來 250美元半導體價值量，這 主要有 MOSFET、二極管、圖像傳感器等半導體元器件構成。
3、SIC、GAN 的發展現狀和前景？
1、SiC器件
SiC材料屬於第三代半導體材料，目前用於襯底的 SiC材料類型主要為 4H-SiC。4H-SiC的禁帶寬度是 Si的 3倍，臨界擊穿電場達到 40V/cm，因此，在相同結構下，SiC 器件阻斷能力比硅器件高好多倍， 相同的擊穿電壓下，SiC 器件的漂移區可以更薄，保證其擁有更小的導通電阻。一般硅器件最高到 200℃就會因熱擊穿造成失效，而 SiC 具有的寬禁帶特性，保證了 SiC 器件可以在 500℃以上高溫環境 工作，且具有極好抗輻射性能。另外，4H-SiC的飽和電子遷移速度是 Si的 2倍，因此具有良好的高 頻特性。並且碳化硅的熱導率也較高，是 Si的三倍。SiC的寬禁帶、高臨界擊穿電場、高飽和電子遷 移速度和高熱導率等特性使得碳化硅功率器件具有耐高溫、抗輻射、 高開關頻率等良好的性能，因 此受到業界廣泛關注。
SiC功率器件產業鏈環節主要包括單晶、外延、器件、模塊和應用環節。目前，碳化硅功率器件主要 包括功率二極管和功晶體管。功率二極管主要包括結勢壘肖特基二極管 JBS、PiN 二極管和混合 PIN 肖特基二極管 MPS，功率晶體管主要包括 MOSFET、結型場效應晶體管 JFET、雙極型晶體管 BJT、IGBT、 門極可關斷晶閘管 GTO和發射極可關斷晶閘管 ETO等。目前，實現碳化硅功率器件產業化公司主要 有美國 Wolfspeed、德國英飛凌、日本羅姆、歐洲意法半導體、日本三菱，這幾家約佔國際市場 90% 份額。
受限於大直徑碳化硅單晶生長難度高、成本高等因素，碳化硅功率器件的市場規模仍然較低。根據 Yole預測，2020 年全球碳化硅功率器件市場規模約 5-6億美元，約佔整個功率半導體器件市場份額的 3-4%，預計到 2022年，碳化硅功率器件的市場規模有望超過 10億美元。
新能源汽車為碳化硅功率器件的重要市場。電動汽車中，車載充電器、DC/DC 轉換器、主逆變器和 電動壓縮機對功率電子器件要求較高，需要 IGBT或 SiC功率器件。由於碳化硅器件與硅器件相比具 有以下優勢：1）更高的電流密度，在相同功率等級下，碳化硅功率模塊的體積顯著小於硅基 IGBT 模塊。以 IPM為例，碳化硅功率模塊體積可縮小至硅功率模塊的 2/3-1/3。2）導通電阻低，具有更低 的開關損耗，提高系統效率或工作頻率。碳化硅功率模塊與採用硅基 IGBT的功率模塊相比，可將開 關損失降低 85%。3）更高的結溫，能夠在高溫條件下工作。碳化硅器件結溫高，極限工作溫度有望 達到 600℃以上，而硅器件的最大結溫僅為 150℃。由於碳化硅功率器件的優良特性，預計汽車 OBC、 逆變器在未來幾年對於 SiC的需求將呈現出線性增長。特斯拉量產的 Model 3車型中主逆變器已採用 全碳化硅功率模塊作為核心功率器件，單車搭載有 24顆全碳化硅功率模塊。
2、GaN器件
GaN 同屬於第三代半導體材料，具有寬禁帶、高臨界擊穿場強、高飽和電子漂移速度等物理特性， 使得其功率器件擁有高功率、高頻率和高壓下工作的能力，因此受到關注。目前，氮化鎵應用較多 的是光電器件和微波射頻領域，跟 SiC 相比，GaN 的功率器件類型不多，主要的 GaN 器件類型包括 功率肖特基二極管、氮化鎵 PN二極管、氮化鎵場效應晶體管（GaN FET）和高電子遷移率晶體管（GaN HEMT），其中 GaN HEMT為氮化鎵最受關注的器件類型。
氮化鎵的應用領域以航天、軍事等應用較多，但近年來也逐步走向消費電子領域。在消費電子產品 的重充電電源領域，高輸出功率和高轉換效率一直是產品技術升級的焦點，而 GaN功率器件具有的 高輸出功率、高能效特性，使其能在既定功率水平下能夠做到更小的體積，因此在電源快充產品中 得以應用。OPPO、小米等手機廠商已經開始在手機充電器中採用 GaN技術。
根據 Yole數據，2019年氮化鎵器件的市場規模約 6,000萬美金，預計到 2022年，全球氮化鎵器件的 市場規模將達到 4.45億美金。
4、功率半導體的市場格局如何？
1、高端功率器件國產化率仍較低
功率半導體行業在資金、技術、客戶認證等方面壁壘較高，在高端功率器件領域，以美、日、歐龍 頭廠商為主導。根據 IHS 統計，2017 年英飛凌、安森美、意法半導體、三菱電機、東芝半導體是全 球前五的功率半導體供應商，分別佔絕 18.5%，9.2%、5.3%、4.9%、4.7%的市場份額，前五大供應商 市場佔比達到 42.6%，前十大供應商佔比達到 60.6%。
MOSFE 市場以英飛凌、安森美等廠商佔主導。根據 IHS統計，2018年全球功率 MOSFET分立器件銷 售額達到 75.8億美元，其中英飛凌銷售額達到 21億美元，佔全球功率 MOSFET銷售額的 27.7%，安 森美、意法半導體、東芝半導體、瑞薩半導體分別佔據 13.1%、8.0%、7.0%、7.0%的市場份額，前五 大供應商佔據 62.8%市場份額，前十大供應商佔據 81%的市場份額。
IGBT 集中於英飛凌、安森美、三菱電機等廠商。在 IGBT方面，2018年全球分立 IGBT市場規模達到 13.1億美元，英飛凌佔據 37.4%，英飛凌、安森美、富士電機、littelfuse、意法半導體前五大廠商佔比 高達 67.8%，前十大廠商佔比達 86.1%；2018年全球 IGBT模塊銷售額達到 32.5億美元，英飛凌佔比達 到 34.5%，英飛凌、三菱電機、富士電機、賽米控等前五廠商佔比達到 67.2%。
功率二極管市場格局分散。 目前功率半導體市場相對分散，Vishay是全球功率二極管最大供應商，佔 據全球約 10%，前五大廠商約佔據 28%，功率二極管的市場集中度遠低於 MOSFET和 IGBT。
歐、美、日龍頭廠商以 IDM 為主，垂直整合優勢明顯。龍頭廠商英飛凌、安森美、羅姆半導體、三 菱電機等龍頭廠商均具備晶圓設計、製造、封裝測試能力。IDM 企業在研發與生產各個環節積累更 加深厚，有利於技術的沉澱和產品群的形成與升級。公司能夠發揮資源的內部整合優勢，提升運營 效率，有利於控制生產成本和響應客戶定製化需求。
目前英飛凌等龍頭廠商晶圓製造以 8英寸、12英寸產線為主，單位芯片的製造成本更低，產品更具 成本優勢。龍頭廠商充分發揮工藝優勢，提升產品性能。背面工藝和減薄工藝先進對 IGBT尤為重要， 目前英飛凌製造的 IGBT 能夠減薄到 40 微米。另一方面，車用功率半導體對散熱要求極高，同時需 要考慮強振動等使用條件，因此高端車用功率半導體對封裝的要求遠高於工業使用的功率半導體。 因此，IDM是當前功率半導體龍頭的主流經營模式。
2、產業龍頭重點佈局汽車高端運用
車載半導體將是半導體產業下一個千億藍海市場，各大廠商重點佈局高端車用半導體市場。根據 strategy Analytics數據，2018年全球車載半導體市場規模達到 377億美元，英飛凌、瑞薩半導體、意法 半導體佔據前列。
車規級半導體技術難度大，價值量高。車規級功率半導體設計製造難度大，需要平衡低功耗與高可 靠性、高功率容量；車規級功率半導體封裝難度較高，車規級封裝需要滿足高效散熱、高可靠性等 需求，確保汽車長期可靠運行。
汽車成為各大功率半導體龍頭的最重要的收入來源。根據英飛凌年報，2019 年公司汽車業務收入佔 比達到 44%，市公司最大的業務收入來源。2009年英飛凌汽車業務收入為 9.05億美元，佔比僅為當 年營收的 28%，2019年英飛凌的汽車業務收入達到 35.03億美元，佔當年營收 44%。十年間英飛凌汽 車業務收入複合增長率為 14.5%，高於同期公司營收 10%的複合增長率。根據 ON semiconductor 年報 數據，公司汽車業務營收佔比從 2011Q1的 21%提升至 2019Q4的 32%，2012年-2019年汽車業務收入 複合增速達到 9.76%，高於同期公司 6.07%的營收復合增速。根據意法半導體數據，2010年汽車業務 收入為 14.02億美元，在當年營收佔比為 13.73%，2019年公司汽車業務收入達到 36.06億美元，在當 年收入的比例 37.74%。 2010年至 2019年汽車業務收入複合增長率 10.91%，遠高於同期公司業務營收。
龍頭廠商積極佈局車用半導體，外延併購完善汽車電子產品線。2016年英飛凌收購 Innoluce，進一步 完善車用 MEMS和傳感器的佈局；2019年完成對 cypress的併購交易，cypress是車用 MCU、存儲器、 WiFi、USB 等零部件的龍頭，英飛凌是功率半導體絕對龍頭，英飛凌與 cypress 強強可聯合，公司在 汽車半導體產品線的佈局進一步完善。自 1999年成立以來，ON semiconductor發生過 17次併購不斷完 善公司產品線，2016年收購仙童半導體完成高功率產品的佈局，進一步完善汽車功率半導體產品線， 2014 年公司收購 Aptina 進一步完善公司在汽車圖像傳感器領域的佈局，公司成為全球汽車圖像傳感 器最大的供應商。
3、加碼碳化硅，海外巨頭搶佔功率半導體新高地
根據 Yole數據，CREE公司佔據全球 60%的 SiC晶圓製造市場份額，英飛凌，CREE、意法半導體、安 森美等功率半導體前十企業佔據碳化硅功率器件 50%以上市場份額。各大功率半導體廠商加速碳化 硅產品的研發，
2019 年 ON semiconductor 推出兩款碳化硅 MOSFET：符合工業運用標準的 NTHL080N120SC1 和符合 AEC-Q101標準的汽車級 NVHL080N120SC1。這與安森美的碳化硅二極管、驅動器構成完整的碳化硅功 率器件生態。
英飛凌在碳化硅設備和工藝的研發投入達到上億歐元。英飛凌與 CREE 達成碳化硅晶圓長期供應協 議，CREE為英飛凌長期供應 6英寸碳化硅晶圓。英飛凌計劃將 SiC的製造產線轉換為 6英寸產線， 增加產品的供應碳化硅功率產品的供應。基於大量的經驗和兼容性設計的知識基礎，英飛凌開拓性 的推出 CoolSiC™ MOSFET產品。
意法半導體從 1996年開始佈局碳化硅技術，2004年推出首款碳化硅二極管，2009年推出首款碳化硅 MOSFET，而後增加 1200V的碳化硅 MOSFET和功率 SBD。2017年意法半導體 6英寸碳化硅晶圓產線 開始投產，降低生產成本增加碳化硅的市場供應。意法半導體的碳化硅產品成功的在特斯拉的 model 3上使用，使得 model 3的逆變器效率有 model S的 82%提升至 90%。意法半導體與羅姆達成 1.2億美 元的晶圓供貨協議，由羅姆集團旗下的 SiCrystal(SiC晶圓生產量歐洲第一)向意法半導體供應先進的 6 英寸的 SiC晶圓。
4、國產廠商崛起，資本助力功率半導體國產化
政策、資金、人才多方面扶持，國內功率半導體企業快速發展。功率半導體行業集中度高，長期被 國外廠商壟斷，但近年來國產功率半導體廠商取得較大進步，從低端市場開始逐步向車用等高端運 用市場滲透。隨著社會電氣化的發展，我國成為全球功率半導體最大消費市場，國內孕育了一批功 率半導體廠商，包括斯達半導體、華潤微電子、士蘭微等功率半導體廠商，並依託國內市場和政策 切入市場，加速功率半導體國產化替代的進程。
外延併購助力功率半導體國產化。2008 年株洲中車時代走出國門成功收購英國丹尼克斯半導體 75% 的股權，並在英國設立海外研發中心，成為我國第一家全面掌握 IGBT芯片技術研發、模塊測試的廠 商。技術市場雙輪驅動，中車時代完成 650V-6500V全譜系 IGBT研發。2016年以建廣資產為主導的中 國財團以 27.6億美元成功收購恩智浦標準件業務——安世半導體，2019年聞泰科技收購安世集團， 成為安世半導體控股股東。安世半導體是全球第八大 MOSFET 供應商，中國財團的收購將促進功率 半導體，尤其是 MOSFET的國產化水平。
5、投資建議（略，詳見報告原文）
功率半導體器件作為電子信息產業的基礎器件，廣泛應用於工業、家電、消費電子產品、通訊、汽 車等領域，隨著新能源汽車產業的發展，5G通訊技術到來以及變頻家電的發展，功率半導體器件的 需求將持續提升。在半導體國產化的大趨勢下，國內功率半導體企業有望迎來新的發展機遇，推薦： 捷捷微電、華潤微、揚傑科技、斯達半導。
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