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래원:증권시보
2021-02-22 09:02:13
功率半导体系列：功率MOSFET
2020-12-22 10:11:52
专精于高频领域，预计2022年功率MOSFET全球市场规模可达85亿美元
功率MOSFET是电力控制中必不可缺的专精于高频领域的功率器件。功率MOSFET是市场占比最高的功率器件，由于自身电压驱动、全控式、单极型的特点主要适用于对功率器件工作频率需求较高的领域。
宽禁带半导体材料迭代引领功率MOSFET性能演进。功率MOSFET主要通过制程缩小、技术变化、工艺进步与材料迭代这四种方式不断提高自身的性能以满足世界电气化程度不断加深带来的电力需求。其中，宽禁带半导体材料的迭代引领着功率MOSFET向着更高的性能迈进。
受益于世界的电动化、信息化以及对用电终端性能的更高追求，预计2022年功率MOSFET全球市场规模可达亿85美元，未来五年复合年化增长率为4.87%，而国内市场由于“进口替代”格局以及中低端MOSFET的产能转移趋势，未来五年预计年化复合增长率超过10%。
由于功率半导体是一个需求驱动型的行业，因此我们通过不同的供需格局将功率MOSFET分为高中低三个层次来判断未来不同类功率MOSFET的市场格局，并分析得出这种格局本质上是由各类功率MOSFET生产工艺的演进进度决定的。
对于高端、中端、低端三种层次的功率MOSFET产品而言，核心竞争力分别为高品质产品的生产能力、渠道能力与成本控制能力。但由于单类功率MOSFET层次会从高端向低端自然下移，因此从长期来看，对于一家功率MOSFET企业而言，只有不断向着产品性能的更高峰攀登的技术研发能力才是核心竞争力。
作为电压驱动的全控式单极型功率器件，功率 MOSFET专精于高频领域
OSFET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。
由于功率器件的分类方式非常多样，且各分类方式的分类逻辑并不存在上下包含的关系，因此在这里我们从驱动方式、可控性、载流子类型这三个分类维度将功率MOSFET定义为电压驱动的全控式单极型功率器件。
可以发现，功率MOSFET的电压驱动、全控式和单极型特性决定了其在功率器件中的独特定位：工作频率相对最快、开关损耗相对最小，但导通与关断功耗相对较高、电压与功率承载能力相对较弱。
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。
功率MOSFET自1976年诞生以来，不断面对着社会电气化程度的提高所带来的对于功率半导体的更高性能需求。对于功率MOSFET而言，主要的性能提升方向包括三个方面：更高的频率、更高的输出功率以及更低的功耗。
为了实现更高的性能指标，功率MOSFET主要经历了制程缩小、技术变化、工艺进步与材料迭代这4个层次的演进过程，其中由于功率MOSFET更需要功率处理能力而非运算速度，因此制程缩小这一层次的演进已在2000年左右基本上终结了，但其他的3个层次的演进仍在帮助功率MOSFET不断追求着更高的功率密度与更低的功耗。
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。
