MOS管現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
MOS管概述
mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)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(duì)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(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的，即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)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。
MOS管器件的現(xiàn)狀及面臨挑戰(zhàn)發(fā)展趨勢(shì)
根據(jù)IHS及Gartner的相關(guān)統(tǒng)計(jì)，功率MOSFET占據(jù)約40%的全球功率器件市場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管或MOS管，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管。而功率MOSFET則指處于功率輸出級(jí)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(dòng)方式、可控性、載流子類型這三個(gè)分類維度將功率MOSFET定義為電壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)、全控式和單極型特性決定了其在功率器件中的獨(dú)特定位：工作頻率相對(duì)最快、開關(guān)損耗相對(duì)最小，但導(dǎo)通與關(guān)斷功耗相對(duì)較高、電壓與功率承載能力相對(duì)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(xiàn)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(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(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(shù)情況下，盡管IGBT與功率MOSFET都能實(shí)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(duì)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(duì)著社會(huì)電氣化程度的提高所帶來的對(duì)于功率半導(dǎo)體的更高性能需求。對(duì)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(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(gè)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(yùn)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(gè)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(gè)整體。
受益于世界的電動(dòng)化、信息化以及對(duì)用電終端性能的更高追求，預(yù)計(jì)2022年功率MOSFET全球市場(chǎng)規(guī)模可達(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(gè)需求驅(qū)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(duì)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(zhǎng)動(dòng)力，又主要源于三個(gè)趨勢(shì)：電動(dòng)化趨勢(shì)、信息化趨勢(shì)以及對(duì)用電終端性能的更高追求趨勢(shì)。
電動(dòng)化趨勢(shì)主要影響汽車電子以及工業(yè)這兩個(gè)行業(yè)，汽車行業(yè)的電動(dòng)化無疑是當(dāng)今世界電動(dòng)化最顯著的一個(gè)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(dòng)化后3-4倍的功率半導(dǎo)體用量規(guī)模增長(zhǎng)；而工業(yè)則主要因?yàn)殡妱?dòng)化帶來整體用電量的提升，從而帶動(dòng)包括電源、太陽能逆變器等電力傳輸領(lǐng)域行業(yè)的增長(zhǎng)。
信息化趨勢(shì)主要影響無線設(shè)備、計(jì)算存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)通訊這三個(gè)行業(yè)，就未來世界的趨勢(shì)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(jì)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(huì)被主要使用的功率MOSFET的市場(chǎng)空間。
對(duì)用電終端性能的更高追求趨勢(shì)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(gè)行業(yè)。所謂對(duì)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(cè)等。以對(duì)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(yùn)算速度的GPU和更多的顯存，更高運(yùn)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(dòng)其穩(wěn)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(duì)用電終端性能的更高追求帶來的新增市場(chǎng)以及供需格局帶來的價(jià)格變化，結(jié)合IHS、Yole Développement的相關(guān)測(cè)算，我們預(yù)計(jì)功率MOSFET市場(chǎng)在2018年將略高于2017年12%左右的增長(zhǎng)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(chǎng)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(zhǎng)速度，至2022年實(shí)現(xiàn)約85億美元的市場(chǎng)規(guī)模，對(duì)應(yīng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率為4.87%。
長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)地位與利潤(rùn)空間卻并不完全由功率密度的高低與功耗的多少?zèng)Q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(rùn)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(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(gè)指標(biāo)，比如工作頻率時(shí)，后研發(fā)的Super Junction等類型的功率MOSFET并不比Lateral型更有優(yōu)勢(shì)；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(chǎng)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(rùn)。
由于功率半導(dǎo)體是一個(gè)需求驅(qū)動(dòng)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(shì)時(shí)，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(duì)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(duì)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(duì)于更先進(jìn)MOSFET的使用成本優(yōu)勢(shì)。
對(duì)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(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(duì)這種MOSFET進(jìn)行生產(chǎn)工藝演進(jìn)帶來的成本低于其相對(duì)于更先進(jìn)MOSFET的使用成本優(yōu)勢(shì)或并不存在更先進(jìn)的MOSFET可選方案。
對(duì)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(shí)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(jià)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(duì)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(shí)下游廠商更為關(guān)注自己所需求的產(chǎn)品性能，對(duì)價(jià)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(jià)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(jìng)爭(zhēng)力也各不相同。對(duì)于低端功率MOSFET部門而言，由于下游廠商僅關(guān)注價(jià)格，成本控制能力成為核心競(jìng)爭(zhēng)力；對(duì)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(jìng)爭(zhēng)力；而對(duì)于中端功率MOSFET部門而言則比較復(fù)雜，由于價(jià)格和性能對(duì)于不同下游廠商的重要性動(dòng)態(tài)變化，在產(chǎn)品性能與價(jià)格均具備一定市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(yíng)收規(guī)模，成為核心競(jìng)爭(zhēng)力。
長(zhǎng)遠(yuǎn)來看單類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(jìng)爭(zhēng)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(gè)層次，并總結(jié)了三個(gè)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(gè)檔次產(chǎn)品分別的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
但是功率MOSFET產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力與功率MOSFET企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力存在著較大的差別。同樣有兩點(diǎn)原因：1.對(duì)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(huì)由高端向低端逐年下移。
單類功率MOSFET的層次會(huì)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(huì)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(shí)，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(shí)，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(gè)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(duì)零部件的一致性與合格率有著非常高的要求，通常一個(gè)合格的產(chǎn)品仍然需要經(jīng)歷1-2年的驗(yàn)證周期。這就是為什么汽車行業(yè)對(duì)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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