解析MOS管電子元器件現(xiàn)狀與面臨如何挑戰(zhàn) MOS管發(fā)展趨勢-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-04-26
mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導(dǎo)體(semiconductor)場效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體(insulator)、半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個兩個區(qū)是一樣的，即使兩端對調(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對稱的。
MOS管把輸入電壓的變化轉(zhuǎn)化為輸出電流的變化。FET的增益等于它的跨導(dǎo)， 定義為輸出電流的變化和輸入電壓變化之比。市面上常有的一般為N溝道和P溝道，詳情參考右側(cè)圖片（P溝道耗盡型MOS管）。而P溝道常見的為低壓mos管。
根據(jù)IHS及Gartner的相關(guān)統(tǒng)計，功率MOSFET占據(jù)約40%的全球功率器件市場規(guī)模。
MOSFET全稱Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，中文名為金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，簡稱金氧半場效晶體管或MOS管，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管。而功率MOSFET則指處于功率輸出級的MOSFET器件，通常工作電流大于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并不存在上下包含的關(guān)系，因此在這里我們從驅(qū)動方式、可控性、載流子類型這三個分類維度將功率MOSFET定義為電壓驅(qū)動的全控式單極型功率器件。
可以發(fā)現(xiàn)，功率MOSFET的電壓驅(qū)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(guān)損耗相對最小，但導(dǎo)通與關(guān)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會在兩個領(lǐng)域中作為主流的功率器件：1.要求的工作頻率高于其他功率器件所能實現(xiàn)的最高頻率的領(lǐng)域，目前這個最高頻率大概是70kHz，在這個領(lǐng)域中功率MOSFET成為了唯一的選擇，代表性下游應(yīng)用包括變頻器、音頻設(shè)備等。2.要求工作頻率在10kHz到70kHz之間，同時要求輸出功率小于5kW的領(lǐng)域，在這個領(lǐng)域的絕大多數(shù)情況下，盡管IGBT與功率MOSFET都能實現(xiàn)相應(yīng)的功能，但功率MOSFET往往憑借更低的開關(guān)損 耗（高頻條件下開關(guān)損耗的功耗占比更大）、更小的體積以及相對較低的成本成為優(yōu)先選擇，代表性的下游應(yīng)用包括液晶電視板卡、電磁爐等。
寬禁帶半導(dǎo)體材料迭代引領(lǐng)功率MOSFET性能演進(jìn)
根據(jù)載流子種類與摻雜方式，MOSFET可以被分為4種類型：N溝道增強(qiáng)型、N溝道耗盡型、P溝道增強(qiáng)型、P溝道耗盡型。
由于功率MOSFET往往追求高頻率與低功耗，且多用作開關(guān)器件，因此N溝道增強(qiáng)型是絕大多數(shù)功率MOSFET的選擇。
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(dǎo)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。
為了實現(xiàn)更高的性能指標(biāo)，功率MOSFET主要經(jīng)歷了制程縮小、技術(shù)變化、工藝進(jìn)步與材料迭代這4個層次的演進(jìn)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(jìn)已在2000年左右基本上終結(jié)了，但其他的3個層次的演進(jìn)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。
目前，市面上的主流功率MOSFET類型主要包括：由于技術(shù)變化形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的Planar、Trench、Lateral、SuperJunction、Advanced Trench以及由于材料迭代形成的半導(dǎo)體材料改變的SiC、GaN。其中盡管材料迭代與技術(shù)變化屬于并行關(guān)系，比如存在GaN Lateral MOSFET，但就目前而言，由于寬禁帶半導(dǎo)體仍處于初步發(fā)展階段，所有面世的寬禁帶MOSFET的性能主要由材料性能決定，因此將所有不同結(jié)構(gòu)的GaN MOSFET和SiC MOSFET 分別歸為一個整體。
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(yù)計2022年功率MOSFET全球市場規(guī)?？蛇_(dá)億85美元
在《總覽》中我們提到，功率半導(dǎo)體行業(yè)是一個需求驅(qū)動型的行業(yè)，因此功率MOSFET行業(yè)的市場空間主要源于對功率器件的需求為10kHz以上的工作頻率以及5kW以下的輸出功率的行業(yè)的市場空間。
而這8個行業(yè)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(yè)這兩個行業(yè)，汽車行業(yè)的電動化無疑是當(dāng)今世界電動化最顯著的一個特征，這既源于汽車行業(yè)每年全球近1億量的產(chǎn)銷量規(guī)模，也源自于汽車電動化后3-4倍的功率半導(dǎo)體用量規(guī)模增長；而工業(yè)則主要因為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(lǐng)域行業(yè)的增長。
信息化趨勢主要影響無線設(shè)備、計算存儲以及網(wǎng)絡(luò)通訊這三個行業(yè)，就未來世界的趨勢而言，無論是物聯(lián)網(wǎng)或是AI，本質(zhì)上都離不開更大程度上數(shù)據(jù)的收集、計算與傳輸，而數(shù)據(jù)量的增加，必將帶來用電量與用電設(shè)備的增加，從而提高在這些設(shè)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(shè)備、家用電器以及醫(yī)療設(shè)備這三個行業(yè)。所謂對用電終端性能的更高追求，包括更高的音畫質(zhì)、變頻降噪等舒適感需求以及更精準(zhǔn)多樣的醫(yī)療設(shè)備檢測等。以對電腦畫質(zhì)更高的要求為例，更高的電腦畫質(zhì)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(qū)動其穩(wěn)定工作，而每一相供電都需要2-4個功率MOSFET。
益于電動化、信息化以及對用電終端性能的更高追求帶來的新增市場以及供需格局帶來的價格變化，結(jié)合IHS、Yole Développement的相關(guān)測算，我們預(yù)計功率MOSFET市場在2018年將略高于2017年12%左右的增長速度達(dá)到13%，在2019年由于挖礦機(jī)、智能手機(jī)等下游行業(yè)的需求不振維持市場規(guī)模不變，在2020年以后由于物聯(lián)網(wǎng)、AI、5G等信息產(chǎn)業(yè)的興起回升至4%的年化增長速度，至2022年實現(xiàn)約85億美元的市場規(guī)模，對應(yīng)的復(fù)合年增長率為4.87%。
長期來看，恒逐峰者可覽眾山
低端控本高端重質(zhì)，生產(chǎn)工藝演進(jìn)進(jìn)程決定功率MOSFET不同層次
盡管功率半導(dǎo)體長遠(yuǎn)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并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(fā)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。
有兩個原因造成了目前的這種局面：1.功率半導(dǎo)體行業(yè)的整體發(fā)展方向是提高功率密度、降低功耗，但如果細(xì)化到某一個指標(biāo)，比如工作頻率時，后研發(fā)的Super Junction等類型的功率MOSFET并不比Lateral型更有優(yōu)勢；2.只有滿足了下游行業(yè)特定性能需求的兩種MOSFET才能形成替代，因此無法替代的Lateral型在市場地位中與技術(shù)更為先進(jìn)的Super Junction等類型比肩，獲得更高的超額利潤。
由于功率半導(dǎo)體是一個需求驅(qū)動型的行業(yè)，因此，在將各類型的功率MOSFET分層來討論未來的結(jié)構(gòu)趨勢時，我們更傾向于通過生產(chǎn)商與下游的關(guān)系將不同的功率MOSFET比較抽象地分為低端、中端和高端，而不依據(jù)功率密度的大小或功耗的多少來劃分。
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(dá)到，且這種MOSFET面臨著無從繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)工藝演進(jìn)，或者對這種MOSFET進(jìn)行生產(chǎn)工藝演進(jìn)帶來的成本超過了其相對于更先進(jìn)MOSFET的使用成本優(yōu)勢。
對應(yīng)到生產(chǎn)商的層面，我們認(rèn)為該層次的功率MOSFET領(lǐng)先生產(chǎn)廠商生產(chǎn)工藝演進(jìn)已經(jīng)停止，絕大多數(shù)市場參與者的產(chǎn)品性能差異性小，此時價格成為下游廠商選擇產(chǎn)品的主要原因。
中端層次的功率MOSFET所滿足的性能要求適中，想要生產(chǎn)出相應(yīng)性能的功率MOSFET具有一定的難度，對這種MOSFET進(jìn)行生產(chǎn)工藝演進(jìn)帶來的成本低于其相對于更先進(jìn)MOSFET的使用成本優(yōu)勢或并不存在更先進(jìn)的MOSFET可選方案。
對應(yīng)到生產(chǎn)商的層面，我們認(rèn)為該層次的MOSFET領(lǐng)先生產(chǎn)廠商生產(chǎn)工藝演進(jìn)仍在繼續(xù)但已處于中后階段，演進(jìn)速度顯著放緩，生產(chǎn)工藝演進(jìn)積累各不相同的生產(chǎn)商產(chǎn)品性能存在一定的差異，此時下游廠商首先根據(jù)自己所需求的產(chǎn)品性能來選擇生產(chǎn)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，想要生產(chǎn)出相應(yīng)性能的功率MOSFET存在較高的技術(shù)壁壘，并不存在更先進(jìn)的MOSFET可選方案。
對應(yīng)到生產(chǎn)商的層面，我們認(rèn)為該層次的MOSFET領(lǐng)先生產(chǎn)廠商剛剛開啟生產(chǎn)工藝演進(jìn)，演進(jìn)速度較快，僅有領(lǐng)先廠商能夠生產(chǎn)該層次的MOSFET，此時下游廠商更為關(guān)注自己所需求的產(chǎn)品性能，對價格的敏感度較低。
因此我們認(rèn)為，上下游與不同功率MOSFET的不同關(guān)系，本質(zhì)上是由于生產(chǎn)工藝演進(jìn)進(jìn)程（等價于該MOSFET領(lǐng)先廠商的生產(chǎn)工藝演進(jìn)進(jìn)程）的不同而導(dǎo)致的。
其中由于下游廠商不同的選擇標(biāo)準(zhǔn)，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，由于下游廠商僅關(guān)注價格，成本控制能力成為核心競爭力；對于高端功率MOSFET生產(chǎn)部門而言，自然高品質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)能力成為核心競爭力；而對于中端功率MOSFET部門而言則比較復(fù)雜，由于價格和性能對于不同下游廠商的重要性動態(tài)變化，在產(chǎn)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(yè)能找到多少與自身產(chǎn)品匹配的下游客戶，從而決定了營收規(guī)模，成為核心競爭力。
長遠(yuǎn)來看單類MOSFET產(chǎn)品層次會由高端向低端逐年下移，研發(fā)實力為功率MOSFET企業(yè)核心競爭力
在前面，我們根據(jù)不同功率MOSFET的行業(yè)特性與上下游關(guān)系將功率MOSFET分為了低端、中端和高端三個層次，并總結(jié)了三個層次分類的本質(zhì)原因是由于生產(chǎn)工藝演進(jìn)進(jìn)程的不同，以及三個檔次產(chǎn)品分別的核心競爭力。
但是功率MOSFET產(chǎn)品的核心競爭力與功率MOSFET企業(yè)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(yè)，很少有只生產(chǎn)一種層次的功率MOSFET產(chǎn)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(zhì)上是由于該類功率MOSFET的生產(chǎn)工藝演進(jìn)進(jìn)程會逐年成熟，當(dāng)生產(chǎn)工藝演進(jìn)進(jìn)程達(dá)到中后期，演進(jìn)速度放緩時，高端層次的功率MOSFET自然下移至中端層次，而當(dāng)生產(chǎn)工藝演進(jìn)進(jìn)程結(jié)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(yè)正好是一個非常好的觀察者，由于汽車行業(yè)非常關(guān)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，通常一個合格的產(chǎn)品仍然需要經(jīng)歷1-2年的驗證周期。這就是為什么汽車行業(yè)對性能要求高，且需求的產(chǎn)品僅能由領(lǐng)先廠商生產(chǎn)，但有一部分卻使用的是中端的功率MOSFET的原因——汽車行業(yè)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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