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(chǎng)效應晶體管，或者稱(chēng)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(gè)兩個(gè)區是一樣的，即使兩端對調也不會(huì )影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱(chēng)的。

MOS管把輸入電壓的變化轉化為輸出電流的變化。FET的增益等于它的跨導， 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，詳情參考右側圖片（P溝道耗盡型MOS管）。而P溝道常見(jiàn)的為低壓mos管。

MOS管器件的現狀及面臨挑戰發(fā)展趨勢

根據IHS及Gartner的相關(guān)統計，功率MOSFET占據約40%的全球功率器件市場(chǎng)規模。

MOSFET全稱(chēng)Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，中文名為金屬-氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)金氧半場(chǎng)效晶體管或MOS管，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場(chǎng)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(lèi)方式非常多樣，且各分類(lèi)方式的分類(lèi)邏輯并不存在上下包含的關(guān)系，因此在這里我們從驅動(dòng)方式、可控性、載流子類(lèi)型這三個(gè)分類(lèi)維度將功率MOSFET定義為電壓驅動(dòng)的全控式單極型功率器件。

可以發(fā)現，功率MOSFET的電壓驅動(dòng)、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(kāi)關(guān)損耗相對最小，但導通與關(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(huì )在兩個(gè)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(shí)現的最高頻率的領(lǐng)域，目前這個(gè)最高頻率大概是70kHz，在這個(gè)領(lǐng)域中功率MOSFET成為了唯一的選擇，代表性下游應用包括變頻器、音頻設備等。2.要求工作頻率在10kHz到70kHz之間，同時(shí)要求輸出功率小于5kW的領(lǐng)域，在這個(gè)領(lǐng)域的絕大多數情況下，盡管IGBT與功率MOSFET都能實(shí)現相應的功能，但功率MOSFET往往憑借更低的開(kāi)關(guān)損 耗（高頻條件下開(kāi)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，代表性的下游應用包括液晶電視板卡、電磁爐等。

寬禁帶半導體材料迭代引領(lǐng)功率MOSFET性能演進(jìn)

根據載流子種類(lèi)與摻雜方式，MOSFET可以被分為4種類(lèi)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。

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

功率MOSFET自1976年誕生以來(lái)，不斷面對著(zhù)社會(huì )電氣化程度的提高所帶來(lái)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(gè)方面：更高的頻率、更高的輸出功率以及更低的功耗。

為了實(shí)現更高的性能指標，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(gè)層次的演進(jìn)過(guò)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年左右基本上終結了，但其他的3個(gè)層次的演進(jìn)仍在幫助功率MOSFET不斷追求著(zhù)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(lèi)型主要包括：由于技術(shù)變化形成的內部結構不同的Planar、Trench、Lateral、SuperJunction、Advanced Trench以及由于材料迭代形成的半導體材料改變的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，因此將所有不同結構的GaN MOSFET和SiC MOSFET 分別歸為一個(gè)整體。

受益于世界的電動(dòng)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(chǎng)規?？蛇_億85美元

在《總覽》中我們提到，功率半導體行業(yè)是一個(gè)需求驅動(dòng)型的行業(yè)，因此功率MOSFET行業(yè)的市場(chǎng)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(chǎng)空間。

而這8個(gè)行業(yè)的主要增長(cháng)動(dòng)力，又主要源于三個(gè)趨勢：電動(dòng)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(dòng)化趨勢主要影響汽車(chē)電子以及工業(yè)這兩個(gè)行業(yè)，汽車(chē)行業(yè)的電動(dòng)化無(wú)疑是當今世界電動(dòng)化最顯著(zhù)的一個(gè)特征，這既源于汽車(chē)行業(yè)每年全球近1億量的產(chǎn)銷(xiāo)量規模，也源自于汽車(chē)電動(dòng)化后3-4倍的功率半導體用量規模增長(cháng)；而工業(yè)則主要因為電動(dòng)化帶來(lái)整體用電量的提升，從而帶動(dòng)包括電源、太陽(yáng)能逆變器等電力傳輸領(lǐng)域行業(yè)的增長(cháng)。

信息化趨勢主要影響無(wú)線(xiàn)設備、計算存儲以及網(wǎng)絡(luò )通訊這三個(gè)行業(yè)，就未來(lái)世界的趨勢而言，無(wú)論是物聯(lián)網(wǎng)或是AI，本質(zhì)上都離不開(kāi)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(lái)用電量與用電設備的增加，從而提高在這些設備中會(huì )被主要使用的功率MOSFET的市場(chǎng)空間。

對用電終端性能的更高追求趨勢則主要影響音畫(huà)設備、家用電器以及醫療設備這三個(gè)行業(yè)。所謂對用電終端性能的更高追求，包括更高的音畫(huà)質(zhì)、變頻降噪等舒適感需求以及更精準多樣的醫療設備檢測等。以對電腦畫(huà)質(zhì)更高的要求為例，更高的電腦畫(huà)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(lái)驅動(dòng)其穩定工作，而每一相供電都需要2-4個(gè)功率MOSFET。

益于電動(dòng)化、信息化以及對用電終端性能的更高追求帶來(lái)的新增市場(chǎng)以及供需格局帶來(lái)的價(jià)格變化，結合IHS、Yole Développement的相關(guān)測算，我們預計功率MOSFET市場(chǎng)在2018年將略高于2017年12%左右的增長(cháng)速度達到13%，在2019年由于挖礦機、智能手機等下游行業(yè)的需求不振維持市場(chǎng)規模不變，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(cháng)速度，至2022年實(shí)現約85億美元的市場(chǎng)規模，對應的復合年增長(cháng)率為4.87%。

長(cháng)期來(lái)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

盡管功率半導體長(cháng)遠追求更高的功率密度以及更低的功耗，不同種類(lèi)的功率MOSFET的市場(chǎng)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(gè)原因造成了目前的這種局面：1.功率半導體行業(yè)的整體發(fā)展方向是提高功率密度、降低功耗，但如果細化到某一個(gè)指標，比如工作頻率時(shí)，后研發(fā)的Super Junction等類(lèi)型的功率MOSFET并不比Lateral型更有優(yōu)勢；2.只有滿(mǎn)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(wú)法替代的Lateral型在市場(chǎng)地位中與技術(shù)更為先進(jìn)的Super Junction等類(lèi)型比肩，獲得更高的超額利潤。

由于功率半導體是一個(gè)需求驅動(dòng)型的行業(yè)，因此，在將各類(lèi)型的功率MOSFET分層來(lái)討論未來(lái)的結構趨勢時(shí)，我們更傾向于通過(guò)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，而不依據功率密度的大小或功耗的多少來(lái)劃分。

一般來(lái)說(shuō)，低端層次的功率MOSFET所滿(mǎn)足的性能要求相對較低、容易達到，且這種MOSFET面臨著(zhù)無(wú)從繼續進(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(lái)的成本超過(guò)了其相對于更先進(jìn)MOSFET的使用成本優(yōu)勢。

對應到生產(chǎn)商的層面，我們認為該層次的功率MOSFET領(lǐng)先生產(chǎn)廠(chǎng)商生產(chǎn)工藝演進(jìn)已經(jīng)停止，絕大多數市場(chǎng)參與者的產(chǎn)品性能差異性小，此時(shí)價(jià)格成為下游廠(chǎng)商選擇產(chǎn)品的主要原因。

中端層次的功率MOSFET所滿(mǎn)足的性能要求適中，想要生產(chǎn)出相應性能的功率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(lái)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。

對應到生產(chǎn)商的層面，我們認為該層次的MOSFET領(lǐng)先生產(chǎn)廠(chǎng)商生產(chǎn)工藝演進(jìn)仍在繼續但已處于中后階段，演進(jìn)速度顯著(zhù)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(shí)下游廠(chǎng)商首先根據自己所需求的產(chǎn)品性能來(lái)選擇生產(chǎn)商名錄，其次再綜合考慮價(jià)格、供貨量等因素。

高端層次的功率MOSFET所滿(mǎn)足的性能要求高，想要生產(chǎn)出相應性能的功率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。

對應到生產(chǎn)商的層面，我們認為該層次的MOSFET領(lǐng)先生產(chǎn)廠(chǎng)商剛剛開(kāi)啟生產(chǎn)工藝演進(jìn)，演進(jìn)速度較快，僅有領(lǐng)先廠(chǎng)商能夠生產(chǎn)該層次的MOSFET，此時(shí)下游廠(chǎng)商更為關(guān)注自己所需求的產(chǎn)品性能，對價(jià)格的敏感度較低。

因此我們認為，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(jià)于該MOSFET領(lǐng)先廠(chǎng)商的生產(chǎn)工藝演進(jìn)進(jìn)程）的不同而導致的。

其中由于下游廠(chǎng)商不同的選擇標準，各類(lèi)MOSFET部門(mén)的核心競爭力也各不相同。對于低端功率MOSFET部門(mén)而言，由于下游廠(chǎng)商僅關(guān)注價(jià)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(mén)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(mén)而言則比較復雜，由于價(jià)格和性能對于不同下游廠(chǎng)商的重要性動(dòng)態(tài)變化，在產(chǎn)品性能與價(jià)格均具備一定市場(chǎng)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(hù)，從而決定了營(yíng)收規模，成為核心競爭力。

長(cháng)遠來(lái)看單類(lèi)MOSFET產(chǎn)品層次會(huì )由高端向低端逐年下移，研發(fā)實(shí)力為功率MOSFET企業(yè)核心競爭力

在前面，我們根據不同功率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(gè)層次，并總結了三個(gè)層次分類(lèi)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(gè)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(zhù)較大的差別。同樣有兩點(diǎn)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(lèi)功率MOSFET的層次會(huì )由高端向低端逐年下移。

單類(lèi)功率MOSFET的層次會(huì )逐年下移本質(zhì)上是由于該類(lèi)功率MOSFET的生產(chǎn)工藝演進(jìn)進(jìn)程會(huì )逐年成熟，當生產(chǎn)工藝演進(jìn)進(jìn)程達到中后期，演進(jìn)速度放緩時(shí)，高端層次的功率MOSFET自然下移至中端層次，而當生產(chǎn)工藝演進(jìn)進(jìn)程結束時(shí)，中端層次的功率MOSFET自然下移至低端層次。

這兩年的汽車(chē)行業(yè)正好是一個(gè)非常好的觀(guān)察者，由于汽車(chē)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(zhù)非常高的要求，通常一個(gè)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(chē)行業(yè)對性能要求高，且需求的產(chǎn)品僅能由領(lǐng)先廠(chǎng)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(chē)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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