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1、常见的功率半导体类型及区别？
功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，是实现电子装置中电压、频率、直流交流转 换等功能的核心部件。根据器件集成度不同，功率半导体可以分为功率 IC和功率分立器件两大类。 功率分立器件包括二极管、晶体管、晶闸管三大类别，其中晶体管是分立器件中市场份额最大的种 类。常见晶体管主要有 BJT、IGBT和 MOSFET。IGBT和 MOSFET是当前市场关注度较高的功率型晶体 管。功率 IC是将晶体管、二极管、电阻、电容等元件集成在一个半导体晶片上，具有所需电路功能 的微型结构。根据运用场景的不同，功率 IC包括 AC/DC、DC/DC、电源管理、驱动 IC等种类。
功率 IC、IGBT、MOSFET、二极管是四种运用最为广泛的功率半导体产品。根据 Yole数据，2017年功 率 IC 占全球功率半导体市场规模的 54%，是市场份额占比最大的功率半导体产品。MOSFET 主要运 用于不间断电源、开关电源，变频器音频设备等领域，2017 年 MOSFET 市场规模占功率半导体整体 市场规模的 17%；功率二极管主要用于电源、适配器、汽车、消费电子等领域，2017 年全球功率二 极管销售额占功率半导体整体销售额的比例约 15%。由于 IGBT的操作频率范围较广，能够覆盖较高 的功率范围，适用于轨道交通、光伏发电、汽车电子等领域，2017年 IGBT的销售占比达到 12%。
1、功率二极管
功率二极管是一种不可控型的功率器件，因此功率二极管不可以作为开关器件使用，功率二极管电 流容量大，阻断电压高，但是开关频率较低。功率二极管的单向导电性可用于电路的整流、箝位、 续流。外围电路中二极管主要起防反作用,防止电流反灌造成期间损坏。功率二极管细分产品包括功 率整流二极管、功率肖特基二极管、快速恢复二极管、超快速恢复二极管、小电流整流二极管、变 容二极管等种类。
普通整流功率二极管一般采用 p+pnn+的结构，反向恢复时间长一般在 25微秒；电流定额范围较大， 可以实现 1安培到数百安培的电流；电压范围宽，可以实现 5V-5000V的整流；但是普通整流功率二 极管高频特性一般，一般用于 1KHz以下的整流电路中。
快恢复功率二极管（FRD）采用 PN结构，采用扩散工艺，可以实现短时间的反向恢复，一般反向恢 复时间小于 5微秒，广泛的使用在变换器中。超快恢复功率二极管（UFRD）在快速恢复功率二极管 的基础上，采用外延工艺，实现超快速反向恢复。
肖特基功率二极管（SBD）不是利用 P型半导体和 N型半导体接触形成 PN接原理制作的，而是利用 金属和半导体接触形成的金属-半导体结原理制造的。肖特基二极管具有开关频率高和正向压降低等 优点，但是反向击穿电压比较低，一般低于 100V。因此肖特基二极管一般用于高频低电压领域。
2、MOSFET
MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使 用在模拟电路和数字电路的场效应晶体管。MOSFET可以实现较大的导通电流，导通电流可以达到上 千安培，并且可以在较高频率下运行可以达到 MHz甚至几十 MHz，但是器件的耐压能力一般。因此 MOSFET可以广泛的运用于开关电源、镇流器、高频感应加热等领域。
为了满足电气化程度不断提升的社会需求，功率型 MOSFET性能不断被提升。MOSFET的改进主要围 绕着更高的工作频率、更高的输出功率。目前市场上功率型 MOSFET可以分为 Planar MOSFET 和 trench MOSFET两种类型。
早期的功率型 MOSFET也叫 LDMOS（later Double diffusion MOS），这种结构的 MOSFET可以实现大电流 传输，但是器件的栅、源、漏都在表面，因此器件的漏极和源极需要很长，十分浪费芯片面积。并 且由于 LDMOS的栅、源、漏都在同一个表面，在多个 MOSFET器件进行并联时需要额外的隔离层， 工艺步骤增加。因此后来发展了 VDMOS（vertcal DMOS），这就是早期的 planer VDMOS MOSFET，这 种结构将原来 LDMOS器件的漏极统一放到器件的另一侧，这样使得漏极和源极的漂移区长度可以通 过背面减薄来控制，而且该种结构可以实现更有利于晶体管并联。晶体管的并联可以增大 MOSFET 的功率。这种结构的的表面处理工艺和传统的 CMOS工艺兼容。
为克服 planer MOSFET中整体面积使用效率不高的问题，后来发展出 trench MOSFET器件结构。Trench MOSFET是将管子的沟道从原来的 planer变成沿着槽壁的纵向。这样的结构虽然提升了硅片面积使用 效率，但是工艺难度加大，成本较高，并且当槽较深是容易击穿，因此 trench MOSFET的耐压性价差。 但是该种结构可以实现较多的晶体管并联，可以导通的大电流，因此适合在低电压和大电流的工作 环境。
3、IGBT
IGBT是由 BJT和 MOSFET组成的复合功率半导体器件，同时具备 MOSFET开关速度高、输入阻抗高、 控制功率低、驱动电路简单、开关损耗小的优点和 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。 IGBT在功率 MOSFET的基础上增加了一层，即在背面的漏极上增加一个 P+层。在引入 P+层之后，从 结构上漏端增加了一个 P+/N-driff的 PN结，该 PN结处于正偏状态，不仅不影响导通反而增加了空穴 注入效应，该 PN结带来的特性类似于 BJT有两种载流子参与导电。因此 IGBT具备 MOSFET的开关速 度高、输入阻抗高、控制功率低、驱动电路简单、开关损耗小等优点，同时具备 BJT 导通电压低、 通态电流大、损耗小等优点。IGBT 在高压、大电流、高速方面有突出的产品竞争力，已经成为功率 半导体主流发展方向。
从 1988年 IGBT诞生至今，已经有七代 IGBT结构。第一代 IGBT(PT-IGBT)产品结构简单，但是由于晶体结 构本身原因造成负温度系数，并联时各个IGBT原胞压降不一致，不利于并联运行，并且电流只有25A， 容量较小，因此没有普遍使用。第二代 IGBT也称为改进型 PT-IGBT是在 P+和 N-driff层时间加入 N-buffer 层，这一层形成的耗尽层可以减小芯片厚度、减小功耗，该种产品在 600V 以上具备优势，但是 1200V 以上时外延厚度较大导致成本较高，并且可靠性降低。西门子是改进型PT-IGBT产品的主流厂商。
第三代 IGBT也称为 Trench-IGBT，该种结构的思路和 trench MOSFET思路一样，将沟道转移到垂直面 上。该种结构导通电阻小，栅极密度增加不受限制，有效特高耐压能力。由于需要使用双注入技术， 制作难度较大。英飞凌的减薄技术处于世界先进水平，因此英在Trench IGBT时代英飞凌一举成为IGBT 行业巨头。
第四代为 NPT-IGBT，该种产品不再使用外延技术，而是使用离子注入技术生成 P+集电极（透明集电 极），该种结构可以精准控制结深进而控制发射效率，增快载流子抽取速度来降低关断损耗，同时 该种结构具备正温度系数，在稳态功耗和关断功耗取得较高的折中，该种产品结构被广泛的使用。
第五代FS-IGBT结合了第四代NPT-IGBT的“透明集电区技术”和“电场中止技术”。采用先进的薄片技 术并在薄片上形成电场中止层，有效的减薄芯片的厚度，是的导通压降和动态功耗都有明显下降。
第六代 FS-trench在第五代基础上改进沟槽结构，增加芯片电流导通能力，优化芯片内载流子浓度和 分布，减小芯片的综合损耗和提高 IGBT耐压能力。
2012 年三菱电机推出第七代 IGBT。IGBT7 采用了新型微沟槽（MPT）+电场场截止技术。它采用基于 n-掺杂的衬底的典型垂直 IGBT设计，p基区内的 n型重掺杂构成了发射极接触结构。通过在电隔离的 沟槽刻蚀接触孔，确定了沟道和栅极。在 n-衬底的底部，通过 p+掺杂实现了集电极区。在 n-衬底和 和 p+之间，通过 n+掺杂实现了场截止（FS）结构。IGBT7增加有源栅极密度，能够增加单位芯片面 积上的导电沟道，全面优化 IGBT性能。根据富士电机发布的第七代 IGBT产品数据，相比于第六代 V 系列，IGBT7 可以使逆变器的功率损耗降低 10%，最高操作结温度从 150℃提高到 175℃，这有助于 减小设备尺寸。
各类型功率器件由于结构不同，特性有所不同。MOSFET高频特性较好，工作频率可以达几十KHz到上 千 KHz，能够工作在高电流状态下，但耐压特性较差，在高功率领域应用受限。IGBT 耐压高，高功率 领域应用优势明显，高频特性弱于MOSFET。晶闸管高频特性较差，在高功率领域应用优势明显。
4、化合物半导体
影响功率半导体器产品性能的主要有两方面因素：一是器件结构，二是半导体材料。半导体材料的 禁带宽度、饱和电子漂移速度、击穿场强都会影响功率半导体性能。从半导体产业发展至今，半导 体产业主要经历了三代材料技术演变，第一代是以硅（Si）、锗（Ge）元素为主；第二代半导体材 料以砷化镓（GaAs）为主；第三代半导体材料以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为主。
第一代半导体材料，尤其硅基半导体材料工艺成熟、成本较低，是目前半导体材料的主流，目前大 部分功率半导体和集成电路都是基于硅基的第一代半导体材料。但是第一代半导体材料禁带宽度有 限，击穿电压低、饱和电子漂移速度低导致硅基半导体材料在面对高电压、高频、高功率运用场景 越显捉襟见肘。第二代半导体是以砷化镓（GaAs）为主，砷化镓的运用主要集中在通讯领域，目前 手机功率放大器是砷化镓的主要运用场景。砷化镓生产成本较高，物理性能低于第三代半导体材料， 因此在功率放大器中难以被使用。
第三代半导体材料氮化镓、碳化硅等材料在物理上具有能级禁带宽的特点，因此第三代半导体材料 也成为宽禁带半导体。同时，第三代半导体材料的导热性能、高压击穿、电子饱和漂移速度均明显 优于第一代、第二代功率半导体，因此第三代半导体在高温、高功率、高压、高频等运用场景有明 显的的优势。
氮化镓在高频电路中优势凸显，是当前移动通讯中有力竞争者。氮化镓半导体材料电子报和漂移速 度明显高于其他半导体材料。因此氮化镓通过高电子迁移率晶体管（HEMT：High Electron Mobility Transistor）率先在高频电路上取得运用。但是氮化镓在耐压性、电流容量都比碳化硅低，在高功率、 高电压运用场景性能低于碳化硅。因此当前氮化镓的主要运用场景主要集中于基站端功率放大器、 航空航天等军用领域。
碳化硅材料已在功率半导体市场崭露头角。碳化硅材料物理性能优于硅等材料，碳化硅单晶的禁带 宽度约为硅材料禁带宽度的 3倍，导热率为硅材料的 3.3倍，电子饱和迁移速度是硅的 2.5倍，击穿 场强是硅的 5 倍。相比于与硅材料，碳化硅在高温、高压、高频、大功率电子器件具有不可替代的 优势。目前碳化硅功率半导体已在特斯拉 model 3等高端车市场成功运用，未来汽车领域将是碳化硅 成长主要动力。碳化硅功率半导体的生产过程主要包括碳化硅单晶生产、外延层生产、器件制造三 大环节。目前英飞凌、意法半导体等国际主流厂商的 4 英寸碳化硅产品线居多，并向 6 英寸产品线 过度，龙头厂商 CREE已经开发出 8英寸产品。目前高质量的碳化硅外延片主要有 CREE供应。
汽车半导体是未来碳化硅功率器件的主要推动力。碳化硅在高温、高压、大功率领域具有不可替代 的优势，在电力控制和转换、高压等领域有着广泛的运用。一汽电驱动研究所所长赵慧超表示，碳 化硅器件工作结温在 200°C 以上，工作频率可以达到 100kHz，耐压可达 20KV，碳化硅器件体积可 以减小到 IGBT整机的 1/3~1/5，重量减小到原来的 40%~60%。目前碳化硅功率半导体已经在汽车主逆 变器、车载充电器、DC/DC 转换器等核心部件上成功运用，未来汽车将是碳化硅成长的主要动力。 特斯拉 Model3中已使用碳化硅的 MOSFET，随着 Model 3车型以及其他高端新能源车的量产，碳化硅 MOSFET需求有望迎来快速增长。根据 Yole统计数据，2017年全球碳化硅功率器件市场规模达到 3.02 亿美元，较 2016年的 2.48亿美元增长 22%，预计到 2023年全球碳化硅功率半导体生产规模达到 15 亿美元，复合增长率达 30.6%，远高于同期全球功率半导体市场规模增速。
碳化硅 MOSFET 的大规模运用尚需降低制造成本。当前碳化硅 MOSFET 为大规模运用于新能源车的 主要原因在于碳化硅 MOSFET成本高昂。根据 Yelo数据，CREE碳化硅 MOSFET成本达到**美元，同 等级别硅基 IGBT成本约为，英飞凌碳化硅的 MOSFET成本约，同等 IGBT成本约为，总体而言硅基 IGBT 的成本约为碳化硅 MOSFET的 25%。因此当前降低碳化硅 MOSFET生产成为成为产业研究重点方向。
氧化镓或是未来高压、高功率运用功率半导体材料的挑战者。氧化镓的禁带宽度为 4.9eV，超过碳化 硅、氮化镓等材料，采用禁带更宽的材料可以制成系统更薄、更轻、功率更高的功率器件。氧化镓 击穿场强高于碳化硅和氮化硅，目前 β-Ga2O3 的击穿场强可以达到 8MV/cm，是碳化硅的两倍。氧化 镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用。氧化镓最有希望的应用可能 是电力调节和配电系统中的高压整流器，如电动汽车和光伏太阳能系统。氧化镓的导热率低，散热 性能差是限制氧化镓市场运用的主要因素。氧化镓的热管理研究是当前各国研究的主要方向，如若 未来氧化镓的散热问题被攻克，氧化镓将是未来高功率、高压运用的功率半导体材料的有力竞争者。
2、功率半导体主要应用领域有哪些？
功率半导体下游运用广泛，包括工业控制、4C、新能源车、光伏等领域。功率半导体是电力电子技 术的基础，也是构成电力电子转换装置的核心器件，应用范围覆盖工业控制、4C 领域（Computer 计 算机产品、Communication 通讯产品、Consumerelectronics 数码家电、COM 网络产品）、新能源车、光 伏、智能电网等领域。根据 IHS数据，2018年，全球功率半导体市场规模达到 391亿美元，同比增长 5.9%，2021 年全球功率半导体市场规模有望达到 441 亿美元，复合增长率达到 4.1%；我国功率半导 体市场规模达到 138 亿美元，占据全球功率半导体市场的 31%，2021 年我国功率半导体市场规模有 望达到 159亿美元，年复合增长率达到 4.83%，超过全球功率半导体增长速度。
1、汽车电动化：功率半导体发展新动能
汽车电动化带动单车半导体价值量的提升。与传统燃油车相比，新能源车多了电池、电机、电机控 制器、DC/DC、空调驱动、充电器的装置。电动车的空调、充电系统、逆变器、DC/DC等核心部件都 需要功率器件实现供电电压和直流交流的转换。根据英飞凌预测，2019年轻度混合动力汽车（MHEV） 单车半导体元器件价值量约为 531 美元，而插电混合动力汽车（PHEV）、纯电动汽车（BEV）半导 体元器件价值量分别达到 785美元、775美元，较 MHEV分别提升 47.83%、45.95%。
MOSFET、IGBT等功率半导体器件是汽车电动化的受益核心。与传统动力汽车不同，新能源汽车需要 使用大量的电力设备，将实现能量的转换。新能源汽车中 AC/DC充电机变换器、DC/DC升压变换器、 DC/DC 降压变换器、双向 DC/AC 逆变器、充电桩等部件需要了大量的功率半导体实现能量的转换。 根据 on semiconductor 数据，电动车的价值量电源解决方案的价格约为 400美元，远高于传统动力汽 车的 40美元。MOSFET和 IGBT是实现供电电压和直流交流转换的核心部件，因此汽车电动化带动单 车功率半导体价值量。电机控制器是新能源车的核心部件之一，IGBT 是电机控制器的核心电力电子 元器件。根据驱动视界统计数据，电机控制系统成本占据整车成本的 15%~20%，而 IGBT模块占据电 机控制模块成本的 37%。1200V以下 IGBT和 MOSFET是电动车电源解决方案核心部件。
高端车型提升单车功率半导体的价值量。在高端车型中，特斯拉 model S使用了 84个 IGBT为三相感 应电机供电；model X 使用 132个 IGBT，其中后电机为 96个，前电机为 36个，整车 IGBT成本达到 650 美元。从 model 3开始，特斯拉开始使用碳化硅功率半导体替代传统硅基功率半导体，改善整车的续 航能力等性能实现高效变电。高端车型的单车功率半导体价值量不断提升，中低端车型有望跟进， 电动车平均单车功率半导体价值量有望进一步提升。
大众、福特、宝马等传统车企扩产新能源车，特斯拉、比亚迪等新兴电动车车企异军突起，汽车电 动化趋势不可逆转。在汽车电动化趋势下，各大传统车企纷纷布局新能源车，新能源车将成为传统 车企成长新动能。2019年 11月，大众集团发布 5年规划，预计 2020-2024年集团将在电动车领域投资 600亿欧元，2020、2025年电动车销量目标分别为 40、300万辆，占其汽车销量的占比为 4%、20%； 计划至2029年将生产2,600万辆电动车。福特计划到2020年实现新能源车销量占全球总销量10%-25%。 根据 IHS数据，2018年全球电动车销量达到 700万辆，预计 2023年将达到 3,300万辆，5年复合增长 率达到 41%。
汽车电动化除了带来车身功率半导体价值量的提升之外，新增的充电桩也将带来功率半导体增量。 工信部、国家能源局联合发布《提升新能源汽车充电保障能力行动计划》提出利用三年时间优化充 电基础设施发展环境，千方百计实现“一车一桩”接电需求。新能源汽车的普及将大幅提高对充电 的需求。根据意法半导体数据，2020年美国/欧洲/中国新能源车充电需求分别为 60亿千万时、40 亿 千瓦时、80亿千瓦时，预计 2030年将分别达到 530亿千瓦时、790亿千瓦时、1,390亿千瓦时，复合 增长率分别达到 24%、34.76%、33.76%；2020年美国/欧洲/中国充电器数量分别为 200万个、100万个、 100万个，预计 2030年将达到 1,300万个、1,500万个、1,400万个符合增长率分别达到 20.58%、31.10%、 30.2%。根据工信部发布《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020 年）》，到 2020 年将新建超 过 480万个分布式充电桩。
MOSFET、IGBT是充电桩实现电能转换的核心元器件。在充电桩中，同样需要 DC/DC等功率器件实现 供电电压和频率的转换。根据 ON semiconductor数据，充电站中的 MOSFET、IGBT、功率二极管等功 率半导体价值量将达到 500美元。
2、新能源发电带动高压功率半导体需求
IGBT模块是光伏发电逆变器和风力发电逆变器的核心零部件，新能源发电助力功率半导体持续增长 驱动力。太阳能、风能产生的电能不符合电网要求，光伏逆变器/风力发电逆变器可以将其整流成直 流电，然后在逆变成符合电网要求的交流电后输入并网。
IGBT是光伏逆变器和风电逆变器的核心零部件。光伏逆变器的功率组价主要是由 IGBT和功率二极管 组成，风力发电逆变器中的功率组件和光伏逆变器的功率组件类似。光伏逆变器和风电逆变器中的 IGBT主要是 1200V-1700V的 IGBT。
国内光伏需求强劲，我国经济基本面良好带动社会用电量攀升，新能源发电空间大。虽然近年来我 国经济发展速度有所放缓，GDP增速仍然保持在 6%以上，我国依然是全球经济增长的引擎。经济发 展带动社会用电量的攀升，根据国家统计局统计数据，2019年我国社会用电量达到 72,255亿千瓦时， 同比增长 5.61%。另一方面，我国供电结构尚需改善，光伏发电、太阳能发电比例提升空间大。从我 国电力供应结构上看，火力发电是我国供电的主力，根据国家统计局统计，2020 年 2 月火力发电占 比达到 76.04%，而太阳能发电和风力发电占比仅为 5.78%、1.75%。由于煤炭资源是不可再生，并且 火力发电会带来环境破坏等问题，因此我国能源结构改善空间较大，未来光伏发电和风力发电的渗 透率有望进一步提升。根据产业信息网数据，2020年我国风电装机容量有望达到 270GW，2025年我 国光伏累计装机容量有望达到 400GW。
3、家电变频需求
功率半导体是实现变频技术的核心半导体器件。变频技术是使用 IGBT、MOSFET、晶闸管等功率半导 体元器件对电能实现变换和控制，从而实现电压频率的变化。变频技术的运用主要集中于 家电、新 能源车、轨道交通等领域，其中变频家电是最重要的运用领域。相比于传统的白色家电，变频白色 家电更加高效节能，能够实现精准控制，实现舒适静音，能够实现多样化功能。根据英飞凌数据， 变频技术能够使得家电节约 60%的能效。
变频技术在白色家电的渗透率快速提升。近年来，变频家电全面推广，尤其是变频空调的推广。变 频空调因为低频启动、启动电流较小、能够快速制冷、节能等优点受到消费者青睐。根据产业在线 统计数据，变频家用空调出货量在家用空调中的占比从 2010年的 17%提升到 2018年上半年的 41%， 提升 24个百分点；变频洗衣机的渗透率从 2011年的 9%提升到 2018H1的 39%，提升 30个百分点；变 频冰箱的渗透率从 2011年的 4%提升到 2017年的 17%。
受益于变频白色家电的快速渗透，家电用功率半导体需求上升。家电的变频化、网络化发展带动 IGBT、 MOSFET、IPM等功率器件的快速发展。根据 IHS数据，2017年家电用功率半导体市场规模为 14.47亿 美元，2021年有望增长至 26.68亿美元，四年复合增长率达 16.5%。
4、5G 通讯拉动功率半导体需求
5G massive MIMO技术带动单站用功率半导体需求量。全球移动通信技术进入 5G时代，相比 4G通讯 技术，5G使用毫米波、massive MIMO等技术实现大带宽、低时延网络传输。2019年 6月，工信部向 三大运营商发放 5G牌照，三大运营商获得频谱在 2GHz以上，高于 4G的频谱，未来 5G频谱有望演 进到毫米波。信号频率越高带来的衰减问题越严重，对基站端发射功率构成了巨大的挑战。另一方 面，4G使用 MIMO技术一般不超过 4T4R，但在未来 5G种的 massive MIMO有望达到 64T64R甚至更高 阶数。Massive MIMO的大规模使用提升基站对电源管理的需求，根据英飞凌数据，4G MIMO射频板上 功率半导体的价值量约为 25美元，但 5G massive阶段的射频板功率半导体价值量将提升到 100美元， 是 MIMO射频板的 4倍。
5G 基站建设规模高于 4G 基站数，功率半导体受益。在无线通信中，信号的频率越高，信号的强度 衰减越快，覆盖的范围就会越小。由于 4G通信的可用频段比 3G频率高，为了保证良好的 4G信号覆 盖， 4G基站的数量保持上升的趋势。 截至 2018年，我国的 4G基站 372万站， 3G基站的数量为 117 万站， 4G的基站的数量 为 3G基站的 3.2倍。5G的频段 在 2600MHz以上 ，比 4G的频率更高，为了 保证良好的信号覆盖， 基站的需求量将会大幅度增加。 获得根据 中国联通网络技术研究员预测 5G 宏基站的需求量约是 4G基站的 1.5 倍， 2018年 4G基站的数量为 372万站，因此 5G宏基站至少需要 558 万站。为了实现 5G在热点区域的良好信号覆盖， 5G需要在热点区域建设大量小基站。未来宏基站+ 小基站数量的增长将带来通讯用功率半导体的爆发。
此外，5G带来数据爆发式增长，这将带来数据中心的建设和云服务规模的提升。数据中心的建设将 带动 AC/DC、DC/DC等电源管理模块的需求 ，通讯用功率半导体市场规模进一步提升。
5、工业互联网需求
工业领域实功率半导体运用最大的领域，功率半导体在工业的运用范围较广，数控机床、鼓风机、 发电系统、轧钢机等工业设备均需要使用功率半导体器件。另一方面，由于我国人口红利逐渐消失， 提高社会生产效率成为必然选择，未来工业将朝着自动化、联网化方向发展。根据前瞻产业研究院 预测，2019年我国工业互联网市场规模达到 6,080亿元，预计 2024年将达到 12,500亿元，5年复合增 长率达 15.5%。功率半导体是实现电力控制核心零部件，未来有望在工业互联网大潮中迎来需求的增 长。根据 ON semiconductor数据，相比于人工生产，机器人生产的将带来 250美元半导体价值量，这 主要有 MOSFET、二极管、图像传感器等半导体元器件构成。
3、SIC、GAN 的发展现状和前景？
1、SiC器件
SiC材料属于第三代半导体材料，目前用于衬底的 SiC材料类型主要为 4H-SiC。4H-SiC的禁带宽度是 Si的 3倍，临界击穿电场达到 40V/cm，因此，在相同结构下，SiC 器件阻断能力比硅器件高好多倍， 相同的击穿电压下，SiC 器件的漂移区可以更薄，保证其拥有更小的导通电阻。一般硅器件最高到 200℃就会因热击穿造成失效，而 SiC 具有的宽禁带特性，保证了 SiC 器件可以在 500℃以上高温环境 工作，且具有极好抗辐射性能。另外，4H-SiC的饱和电子迁移速度是 Si的 2倍，因此具有良好的高 频特性。并且碳化硅的热导率也较高，是 Si的三倍。SiC的宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子迁 移速度和高热导率等特性使得碳化硅功率器件具有耐高温、抗辐射、 高开关频率等良好的性能，因 此受到业界广泛关注。
SiC功率器件产业链环节主要包括单晶、外延、器件、模块和应用环节。目前，碳化硅功率器件主要 包括功率二极管和功晶体管。功率二极管主要包括结势垒肖特基二极管 JBS、PiN 二极管和混合 PIN 肖特基二极管 MPS，功率晶体管主要包括 MOSFET、结型场效应晶体管 JFET、双极型晶体管 BJT、IGBT、 门极可关断晶闸管 GTO和发射极可关断晶闸管 ETO等。目前，实现碳化硅功率器件产业化公司主要 有美国 Wolfspeed、德国英飞凌、日本罗姆、欧洲意法半导体、日本三菱，这几家约占国际市场 90% 份额。
受限于大直径碳化硅单晶生长难度高、成本高等因素，碳化硅功率器件的市场规模仍然较低。根据 Yole预测，2020 年全球碳化硅功率器件市场规模约 5-6亿美元，约占整个功率半导体器件市场份额的 3-4%，预计到 2022年，碳化硅功率器件的市场规模有望超过 10亿美元。
新能源汽车为碳化硅功率器件的重要市场。电动汽车中，车载充电器、DC/DC 转换器、主逆变器和 电动压缩机对功率电子器件要求较高，需要 IGBT或 SiC功率器件。由于碳化硅器件与硅器件相比具 有以下优势：1）更高的电流密度，在相同功率等级下，碳化硅功率模块的体积显著小于硅基 IGBT 模块。以 IPM为例，碳化硅功率模块体积可缩小至硅功率模块的 2/3-1/3。2）导通电阻低，具有更低 的开关损耗，提高系统效率或工作频率。碳化硅功率模块与采用硅基 IGBT的功率模块相比，可将开 关损失降低 85%。3）更高的结温，能够在高温条件下工作。碳化硅器件结温高，极限工作温度有望 达到 600℃以上，而硅器件的最大结温仅为 150℃。由于碳化硅功率器件的优良特性，预计汽车 OBC、 逆变器在未来几年对于 SiC的需求将呈现出线性增长。特斯拉量产的 Model 3车型中主逆变器已采用 全碳化硅功率模块作为核心功率器件，单车搭载有 24颗全碳化硅功率模块。
2、GaN器件
GaN 同属于第三代半导体材料，具有宽禁带、高临界击穿场强、高饱和电子漂移速度等物理特性， 使得其功率器件拥有高功率、高频率和高压下工作的能力，因此受到关注。目前，氮化镓应用较多 的是光电器件和微波射频领域，跟 SiC 相比，GaN 的功率器件类型不多，主要的 GaN 器件类型包括 功率肖特基二极管、氮化镓 PN二极管、氮化镓场效应晶体管（GaN FET）和高电子迁移率晶体管（GaN HEMT），其中 GaN HEMT为氮化镓最受关注的器件类型。
氮化镓的应用领域以航天、军事等应用较多，但近年来也逐步走向消费电子领域。在消费电子产品 的重充电电源领域，高输出功率和高转换效率一直是产品技术升级的焦点，而 GaN功率器件具有的 高输出功率、高能效特性，使其能在既定功率水平下能够做到更小的体积，因此在电源快充产品中 得以应用。OPPO、小米等手机厂商已经开始在手机充电器中采用 GaN技术。
根据 Yole数据，2019年氮化镓器件的市场规模约 6,000万美金，预计到 2022年，全球氮化镓器件的 市场规模将达到 4.45亿美金。
4、功率半导体的市场格局如何？
1、高端功率器件国产化率仍较低
功率半导体行业在资金、技术、客户认证等方面壁垒较高，在高端功率器件领域，以美、日、欧龙 头厂商为主导。根据 IHS 统计，2017 年英飞凌、安森美、意法半导体、三菱电机、东芝半导体是全 球前五的功率半导体供应商，分别占绝 18.5%，9.2%、5.3%、4.9%、4.7%的市场份额，前五大供应商 市场占比达到 42.6%，前十大供应商占比达到 60.6%。
MOSFE 市场以英飞凌、安森美等厂商占主导。根据 IHS统计，2018年全球功率 MOSFET分立器件销 售额达到 75.8亿美元，其中英飞凌销售额达到 21亿美元，占全球功率 MOSFET销售额的 27.7%，安 森美、意法半导体、东芝半导体、瑞萨半导体分别占据 13.1%、8.0%、7.0%、7.0%的市场份额，前五 大供应商占据 62.8%市场份额，前十大供应商占据 81%的市场份额。
IGBT 集中于英飞凌、安森美、三菱电机等厂商。在 IGBT方面，2018年全球分立 IGBT市场规模达到 13.1亿美元，英飞凌占据 37.4%，英飞凌、安森美、富士电机、littelfuse、意法半导体前五大厂商占比 高达 67.8%，前十大厂商占比达 86.1%；2018年全球 IGBT模块销售额达到 32.5亿美元，英飞凌占比达 到 34.5%，英飞凌、三菱电机、富士电机、赛米控等前五厂商占比达到 67.2%。
功率二极管市场格局分散。 目前功率半导体市场相对分散，Vishay是全球功率二极管最大供应商，占 据全球约 10%，前五大厂商约占据 28%，功率二极管的市场集中度远低于 MOSFET和 IGBT。
欧、美、日龙头厂商以 IDM 为主，垂直整合优势明显。龙头厂商英飞凌、安森美、罗姆半导体、三 菱电机等龙头厂商均具备晶圆设计、制造、封装测试能力。IDM 企业在研发与生产各个环节积累更 加深厚，有利于技术的沉淀和产品群的形成与升级。公司能够发挥资源的内部整合优势，提升运营 效率，有利于控制生产成本和响应客户定制化需求。
目前英飞凌等龙头厂商晶圆制造以 8英寸、12英寸产线为主，单位芯片的制造成本更低，产品更具 成本优势。龙头厂商充分发挥工艺优势，提升产品性能。背面工艺和减薄工艺先进对 IGBT尤为重要， 目前英飞凌制造的 IGBT 能够减薄到 40 微米。另一方面，车用功率半导体对散热要求极高，同时需 要考虑强振动等使用条件，因此高端车用功率半导体对封装的要求远高于工业使用的功率半导体。 因此，IDM是当前功率半导体龙头的主流经营模式。
2、产业龙头重点布局汽车高端运用
车载半导体将是半导体产业下一个千亿蓝海市场，各大厂商重点布局高端车用半导体市场。根据 strategy Analytics数据，2018年全球车载半导体市场规模达到 377亿美元，英飞凌、瑞萨半导体、意法 半导体占据前列。
车规级半导体技术难度大，价值量高。车规级功率半导体设计制造难度大，需要平衡低功耗与高可 靠性、高功率容量；车规级功率半导体封装难度较高，车规级封装需要满足高效散热、高可靠性等 需求，确保汽车长期可靠运行。
汽车成为各大功率半导体龙头的最重要的收入来源。根据英飞凌年报，2019 年公司汽车业务收入占 比达到 44%，市公司最大的业务收入来源。2009年英飞凌汽车业务收入为 9.05亿美元，占比仅为当 年营收的 28%，2019年英飞凌的汽车业务收入达到 35.03亿美元，占当年营收 44%。十年间英飞凌汽 车业务收入复合增长率为 14.5%，高于同期公司营收 10%的复合增长率。根据 ON semiconductor 年报 数据，公司汽车业务营收占比从 2011Q1的 21%提升至 2019Q4的 32%，2012年-2019年汽车业务收入 复合增速达到 9.76%，高于同期公司 6.07%的营收复合增速。根据意法半导体数据，2010年汽车业务 收入为 14.02亿美元，在当年营收占比为 13.73%，2019年公司汽车业务收入达到 36.06亿美元，在当 年收入的比例 37.74%。 2010年至 2019年汽车业务收入复合增长率 10.91%，远高于同期公司业务营收。
龙头厂商积极布局车用半导体，外延并购完善汽车电子产品线。2016年英飞凌收购 Innoluce，进一步 完善车用 MEMS和传感器的布局；2019年完成对 cypress的并购交易，cypress是车用 MCU、存储器、 WiFi、USB 等零部件的龙头，英飞凌是功率半导体绝对龙头，英飞凌与 cypress 强强可联合，公司在 汽车半导体产品线的布局进一步完善。自 1999年成立以来，ON semiconductor发生过 17次并购不断完 善公司产品线，2016年收购仙童半导体完成高功率产品的布局，进一步完善汽车功率半导体产品线， 2014 年公司收购 Aptina 进一步完善公司在汽车图像传感器领域的布局，公司成为全球汽车图像传感 器最大的供应商。
3、加码碳化硅，海外巨头抢占功率半导体新高地
根据 Yole数据，CREE公司占据全球 60%的 SiC晶圆制造市场份额，英飞凌，CREE、意法半导体、安 森美等功率半导体前十企业占据碳化硅功率器件 50%以上市场份额。各大功率半导体厂商加速碳化 硅产品的研发，
2019 年 ON semiconductor 推出两款碳化硅 MOSFET：符合工业运用标准的 NTHL080N120SC1 和符合 AEC-Q101标准的汽车级 NVHL080N120SC1。这与安森美的碳化硅二极管、驱动器构成完整的碳化硅功 率器件生态。
英飞凌在碳化硅设备和工艺的研发投入达到上亿欧元。英飞凌与 CREE 达成碳化硅晶圆长期供应协 议，CREE为英飞凌长期供应 6英寸碳化硅晶圆。英飞凌计划将 SiC的制造产线转换为 6英寸产线， 增加产品的供应碳化硅功率产品的供应。基于大量的经验和兼容性设计的知识基础，英飞凌开拓性 的推出 CoolSiC™ MOSFET产品。
意法半导体从 1996年开始布局碳化硅技术，2004年推出首款碳化硅二极管，2009年推出首款碳化硅 MOSFET，而后增加 1200V的碳化硅 MOSFET和功率 SBD。2017年意法半导体 6英寸碳化硅晶圆产线 开始投产，降低生产成本增加碳化硅的市场供应。意法半导体的碳化硅产品成功的在特斯拉的 model 3上使用，使得 model 3的逆变器效率有 model S的 82%提升至 90%。意法半导体与罗姆达成 1.2亿美 元的晶圆供货协议，由罗姆集团旗下的 SiCrystal(SiC晶圆生产量欧洲第一)向意法半导体供应先进的 6 英寸的 SiC晶圆。
4、国产厂商崛起，资本助力功率半导体国产化
政策、资金、人才多方面扶持，国内功率半导体企业快速发展。功率半导体行业集中度高，长期被 国外厂商垄断，但近年来国产功率半导体厂商取得较大进步，从低端市场开始逐步向车用等高端运 用市场渗透。随着社会电气化的发展，我国成为全球功率半导体最大消费市场，国内孕育了一批功 率半导体厂商，包括斯达半导体、华润微电子、士兰微等功率半导体厂商，并依托国内市场和政策 切入市场，加速功率半导体国产化替代的进程。
外延并购助力功率半导体国产化。2008 年株洲中车时代走出国门成功收购英国丹尼克斯半导体 75% 的股权，并在英国设立海外研发中心，成为我国第一家全面掌握 IGBT芯片技术研发、模块测试的厂 商。技术市场双轮驱动，中车时代完成 650V-6500V全谱系 IGBT研发。2016年以建广资产为主导的中 国财团以 27.6亿美元成功收购恩智浦标准件业务——安世半导体，2019年闻泰科技收购安世集团， 成为安世半导体控股股东。安世半导体是全球第八大 MOSFET 供应商，中国财团的收购将促进功率 半导体，尤其是 MOSFET的国产化水平。
5、投资建议（略，详见报告原文）
功率半导体器件作为电子信息产业的基础器件，广泛应用于工业、家电、消费电子产品、通讯、汽 车等领域，随着新能源汽车产业的发展，5G通讯技术到来以及变频家电的发展，功率半导体器件的 需求将持续提升。在半导体国产化的大趋势下，国内功率半导体企业有望迎来新的发展机遇，推荐： 捷捷微电、华润微、扬杰科技、斯达半导。
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