什么是半导体功率器件

近年来，万物互联的呼声越来越高，以汽车、高铁为代表的交通工具，以光伏、风电为代表的新能源领域，以手机为代表的通信设备，以电视机、洗衣机、空调、冰箱为代表的消费级产品，都在不断提高电子化水平，其中又以新能源汽车的高度电子化最为引人注目；与此同时，工业、电网等传统行业也在加速电子化进程。

几乎全行业的电子化发展，势必大大增加了对功率半导体器件的需求。目前全球的功率半导体器件主要由欧洲、美国、日本三个国家和地区提供，他们凭借先进的技术和生产制造工艺，以及领先的品质管理体系，大约占据了全球70％的市场份额。最近国内半导体形态严峻，美国的遏制，让国内产业意识到本身的短缺。

而在需求端，全球约有39％的功率半导体器件产能被中国大陆所消耗，是全球最大的需求大国，但其自给率却仅有10％，严重依赖进口。

功率半导体器件（Power Semiconductor Device）又称电力电子器件（Power Electronic Device），主要用于电力设备的电能变换和电路控制，是进行电能（功率）处理的核心器件，弱电控制与强电运行间的桥梁。典型的功率处理功能包括变频、变压、变流、功率放大和功率管理，除保证设备正常运行以外，功率器件还起到有效的节能作用。

1940年贝尔实验室在研究雷达探测整流器时，发现硅存在PN结效应，1958年美国通用电气（GE）公司研发出世界上第一个工业用普通晶闸管，标志着电力电子技术的诞生。

IGBT是目前最先进的功率器件技术，它的产业链包括了上游的 IC 设计，中游的制造和封装，下游则包括了工控、新能源、家电、电气高铁等领域；

高端功率器件如 IGBT 看重工程师经验，公司品牌和口碑需要持续的积累：数字电路的设计核心在于逻辑设计，可通过 EDA 等软件，而功率半导体和模拟 IC 类似，需要根据实际产品参数进行不断调整与妥协，因此，对工程师的经验要求也更高，优秀的设计师需要 10 年甚至更长时间的经验。大学里功率半导体和模拟 IC 部分教材也基本相当于是过去几十年从业者的“经验笔记”，并没有像数字集成电路那样相对有“标准范式”，而研发也是通过研发工程师团队不断修改参数权衡性能和成本的过程。

全球多家功率半导体巨头均有布局下一代基于氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的功率半导体，为在市场上与传统硅基功率半导体件进行对决奠定基础。

SiC 和 GaN 是第三代半导体材料，与第一二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料。

碳化硅与碳化硅 ( SiC ) 功率器件

高频低压用 Si-IGBT,高频高压用 SiC MOS,电压功率不大但是高频则用 GaN。当低频、高压的情况下用 Si 的 IGBT 是最好，如果稍稍高频但是电压不是很高，功率不是很高的情况下，用 Si 的 MOSFET 是最好。如果既是高频又是高压的情况下，用 SiC 的MOSFET 最好。电压不需要很大，功率不需要很大，但是频率需要很高，这种情况下用 GaN 效果最佳。

SiC可以用来制造射频和微波功率器件，各种高频整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高频功率器件已在Motorola公司研发成功，并应用于微波和射频装置。GE公司正在开发SiC功率器件和高温器件(包括用于喷气式引擎的传感器)。西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频的MESFET。ABB公司正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其他SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。

目前局限 SIC 用途的原因是成本太高，产品参数也不稳定。目前 SIC 芯片成本是IGBT 的 4-5 倍，但业界预计 SiC 成本三年内可以下降到 2 倍左右。目前有使用 SiC MOS的车型是特斯拉的 Model 3。

目前阻碍 SiC 成本下降的主要原因是基材缺陷。应用材料的战略营销总监如此评价：“这种较宽的带隙使材料具有优良的特性，例如更快的开关速度和更高的功率密度，但是主要挑战是基材缺陷，基面位错和螺钉位错会产生“致命缺陷”，SiC 器件必须减少这种缺陷，才能获得商业成功所需的高产量。”

因此，目前来看，SiC 产业链被国外高度垄断，未来 2-3 年当 SiC 成本由目前是 Si 基 4-5 倍下降至 2 倍，并且国内 SIC 上下游产业链也更加成熟、打破国外垄断时，预 计 SIC 才会在国内开始提升渗透率，并且 SiC 只是一种基材，未来随着 SiC 技术的逐渐成熟，也会有 SiC IGBT 相关产品。

总结来看，未来 3-5 年 Si IGBT 还是应用主流，国内厂商的核心逻辑在于工控家电新能源领域进行国产替代提升份额，5 年后 SiC 基材逐渐侵占 Si 基材份额的大趋势下，相信国内的技术领先优质的龙头功率半导体也能够积极储备相关技术和产品，积极拥抱迎接这一行业创新。