一文读懂国内功率半导体产品布局！

BOE知识酷 2025-01-06 11:31

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第1813篇推文

功率半导体品类众多，应用范围广泛

功率半导体根据集成度可以分为分立器件中的功率器件和集成电路 IC 中的功率 IC 两个大类。半导体产品的分类是一个十分复杂困难的过程，国际上多种分类方法都不可能完美区分出来各种产品种类与规模，目前较多采用 WSTS（世界半导体贸易协会）的分类方法。在下图的半导体产品中，功率半导体是包含了功率器件与功率 IC 两大类，功率 IC 相对来说集成芯片的小功率、小电压产品，功率 IC 集成度较高，是指将高压功率器件与其控制电路、外围接口电路及保护电路等集成在同一芯片的集成电路，主要应用于手机等小电压产品。功率器件包括二极管、晶体管和晶闸管三大类，其中晶体管市场规模最大，晶体管又细分为 IGBT、MOSFET、双极型晶体管（BJT）等。功率器件是指体积较大，用来处理较大功率、大电压的产品。

图1 功率半导体产品分类

功率半导体的两大功能是开关与电能转换，主要可以依据工作频率与功率大小将功率半导体分为不同类型。功率器件通过调节改变电子元器件的功率来实现电源开关和电能转换的功能，主要体现在变频、整流、变压、开关等方面。其应用范围广泛，包括工控、风电、光伏、电动汽车与充电桩、轨交、消费电子以及 5G 通信等领域，其中 IGBT、 MOSFET、SiC、GaN 功率器件由于工作频率更高，耐高压性能更优，因而应用领域更广，更适用于电动汽车、充电桩、工业电源、轨道交通等高压和工作环境更为复杂情况的工作场景。

图2 功率半导体器件应用领域

二极管行业龙头企业，国内第一，全球第四

二极管市场需求持续释放，初步替代完成

（1）二极管又称晶体二极管，简称二极管（diode），是一种具有不对称电导的双电极电子元件。晶体二极管是一个由 p 型半导体和 n 型半导体烧结形成的 p-n 结界面，具备单向传导电流的特性，理想的二极管在正向导通时两个电极（阳极和阴极）间拥有零电阻，而反向时则有无穷大电阻，即电流只允许由单一方向流过二极管。按照用途不同可以将二极管分为整流二极管、开关二极管、肖特基二极管、齐纳二极管、TVS 二极管、高频二极管等，主要具有包括整流、开关、保护等作用。

图3 二极管产品分类

（2）从二极管产业链来看，我国企业均积极布局，目前已经实现初步国产替代，国内核心的二极管生产制造企业包括安世半导体（闻泰科技）、扬杰科技、苏州固锝等。二极管产业链上游主要是硅、硒、锗等晶圆材料、封装材料等原材料供应商以及生产设备供应商，中游主要是指二极管生产制造企业，下游应用领域广泛，包括新能源汽车、计算机、手机、家电等消费电子领域，光伏、风能等可再生能源，包括室内、户外、汽车照明的 LED 照明以及工业自动化领域。

图4 二极管产业链

（3）二极管行业是我国功率半导体中发展最早、成熟度最高的市场，国产替代程度已经初有成效。在二极管低端应用市场中，国产替代效应显现，已经基本实现国产替代，而在汽车等高端市场国产替代程度较低，可替代空间较为广阔，二极管在电动汽车的充电桩、电池管理系统、电机控制、汽车照明等方面都起到重要作用，对二极管在高温耐压、高效能等方面要求更高，国产产品替代空间更大。

小信号、MOSFET国内领军企业，发力手机及汽车领域

小信号市场稳步扩张，高端领域替代空间广阔

（1）小信号器件具有小电流、低功率的特点。小信号器件，又称小功率半导体器件，是指额定电流低于 1A 或额定功率低于 1W 的半导体分立器件。小信号器件主要可分为两大类：小信号二极管、小信号三极管，按照芯片结构和功能不同，小信号二极管可以进一步细分为小信号开关二极管、小信号肖特基二极管、小信号稳压二极管、ESD（ElectroStatic discharge，释放静电），小信号三极管可以进一步细分为普通小信号三极管、小信号 MOSFET。小信号器件主要功能有开关、续流、建波、稳压、ESD 等，由于额定电流低主要在二次电源对电路中各并联功能模块的供电过程中使用。

图5 小信号产品分类

（2）从小信号产业链来看，上游主要为晶圆代工厂、半导体材料与生产设备供应商，下游应用范围广泛。小信号产业链中游为小信号器件生产商，其中国产产品多为小信号二极管。小信号分立器件是电子电路的基础元器件，是各类电子产品线路中不可或缺的重要组件，广泛应用于小电流、高功率的工作场景，其中汽车电子、工业、消费电子是主要的三大应用领域，汽车电子领域主要由新能源汽车行业的快速崛起驱动，工业领域中工业控制细分市场是最重要的应用场景，作为高压高频要求的高端应用领域国产替代率较低，发展空间较大，消费电子中计算机、智能手机等移动设备及可穿戴设备中都广泛使用了小信号器件，例如一些手机中基带部分就使用了数十只小信号分立器件。此外，通讯及绿色照明市场等领域近年来也高速发展，成为下游中重要的增量市场

图6 小信号产业链

在小信号器件市场中，海外企业占据领先地位，但国内企业也处于高速发展中，在中低端领域基本实现了国产替代。欧美、日本、中国台湾地区等境外厂商具有先发优势，在全球竞争中保持优势地位，在中低端领域，国产小信号产品具有性价比基本形成了进口替代，在中高端领域客户以性能为主要考虑因素，仍以进口产品为主，例如在小信号 MOSFET 细分领域，海外厂商技术成熟，小信号 MOSFET 产品系列丰富以满足不同负载要求，下游客户为保证适配性更倾向于选择海外品牌产品，绝大多数市场份额被国际大厂占据，头部TOP5企业分别是Infineon、NXP Semiconductor、Vishay、ONSemiconductor 和 Toshiba，市场份额超过了 52%。但近年来国产厂商加速赶超技术，国产替代率也在持续上升中，根据 QYResearch 报告显示，国内共有 8 家企业进入 2022 年全球小信号市场 TOP23 厂商行列，依次分别为闻泰科技收购的安世半导体、扬杰科技、乐山无线电、士兰微、燕东微、苏州固锝、捷捷微电、银河微电，其中安世半导体位列 13，扬杰科技位列 17。

图7 全球小信号器件市场 TOP23 厂商

国内MOSFET市场领先企业

MOSFET 市场持续快速发展，2026 年国产化率有望达 64.5%

（1）MOSFET 全称金属氧化物半导体场效应管，是电压型控制器件，通过栅极电压的变化来控制输出电流的大小，并实现开通和关断。MOSFET 具有驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高等特点，是功率半导体重要的基础元器件。随着沟道结构的不断演变，MOSFET 可细分为平面型、沟槽型、屏蔽栅和超结功率 MOSFET，平面型MOSFET 电压覆盖范围广，适用于 250-900V，应用领域众多；Trench（沟槽型） MOSFET 主要用于低压领域，适用于 12V-250V，在移动电源、手机数据线等场景中应用；SGT（屏蔽栅沟槽）MOSFET 在传统沟槽 MOSFET 器件 PN 结垂直耗尽的基础上引入了水平耗尽获得更高的击穿电压，主要用于中压和低压领域，适用于 30V-300V，在充电桩、智能机器人、无人机等场景中应用；SJ-（超结）MOSFET 打破了硅材料极限，大幅降低了器件的导通电阻和开关损耗，主要在高压领域应用，适用于 500V-900V，在 LED 驱动电源适配器、大功率电动车充电器等场景中应用。

图 8 MOSFET 产品分类及特性

（2）从 MOSFET 产业链来看，上游包括半导体材料和设备，中游为 MOSFET 生产制造商，下游终端应用需求领域广泛。上游半导体材料包括硅片、电子特气、光掩模、光刻胶和半导体设备包括光刻机、刻蚀机、清洗和离子注入等；中游制造企业包含 IDM 以及 Fabless 模式等厂商，海外包括英飞凌、安森美、东芝等欧美日国际巨头，国内企业以华润微电子为代表；MOSFET 驱动简单且高效的性能优势明显，下游应用领域众多，包含通信、消费电子、汽车电子、工业控制、计算机、电源管理等。

图9 MOSFET 产业链

IGBT产品技术领先、SiC早期布局

国内 IGBT 市场优势企业

（1）IGBT 全称为绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT 兼具 MOSFET 及 BJT 两类器件优势，驱动功率小而饱和压降低。金氧半场效晶体管（MOSFET）输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快；而双极型三极管（BJT）饱和压降低，BJT 更强调工作功率， MOSFET 更强调工作频率，因此 IGBT 兼有以上两种器件的优点，性能优势显著。

图10 MOSFET、IGBT 和 BJT 性能对比

（2）IGBT 芯片随着每一代产品的升级，各项性能指标均有提升，考虑成本后，当前性价比较高、应用广泛的是第四代产品。如下所表示，全球 IGBT龙头企业英飞凌有史以来诞生了七代不同的产品，每一代产品在结构上有较大的差异，在关键性能指标上也都有较大的提升，相对来说越是先进的产品，性能效果越高，能够将产品研发到第几代技术，某种程度上也说明了企业在绝对技术上的研发实力。如果考虑到成本等因素，IGBT 目前性价比较高的产品属于第四代产品。

（3）IGBT 应用范围按照领域的不同主要可以分为三大类：消费类，工业类，汽车类。IGBT 单管主要应用于小功率家用电器、分布式光伏逆变器；IGBT 模块主要应用于大功率工业变频器、电焊机、新能源汽车（电机控制器、车载空调、充电桩）等领域；而 IPM 模块应用于变频空调、变频冰箱等白色家电产品.

图11 IGBT 应用领域

（4）从整个 IGBT 的产业链来看，核心环节几乎都是海外企业为主，但在每一个产业链环节，我国均有企业在积极布局。海外龙头企业多为 IDM 模式，如英飞凌、安森美等企业，国内 IDM 模式的公司较少，绝大多数为上市公司，但在全球市场中占据一定的市场份额，如比亚迪半导、士兰微、中车时代电气等公司。国内主流的芯片生产是采用 Fabless 的代工模式，典型公司有斯达半导、宏微科技等，而代工厂根据公司提供的工艺流程和设计版图，生产出各项参数符合设计指标的芯片，华虹宏力目前是国内最先进，最全面的半导体功率器件代工厂。

图12 IGBT 产业链图

国内SiC市场先锋企业

新能源汽车驱动 SiC 器件市场规模高速增长

（1）SiC 属于第三代宽禁带半导体材料，是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料。SiC 器件具有耐高温、高频、耐高压、大功率的特性。SiC 功率器件包括 SiC 二极管、SiC 晶体管和 SiC 功率模块，根据性能不同，SiC 二极管可以细分为四种：SBD（肖特基）二极管、PIN（混合 PN 结）二极管、JBS（结势垒肖特基）和 MPS（混合 pin/肖特基）二极管，JBS 和 MPS 这两类导通电阻较低浪涌能力较好；SiC 晶体管也分为四种：SiC BJT 、SiC MOSFET、SiC JFET、SiC IGBT，与硅基期间相比具有更高的击穿电压和更低的导通电阻；SiC 功率模块也分为全 SiC 功率模块、混合 SiC 功率模块，混合 SiC 功率模块用 SiC SBD 替换 Si FRD，全 SiC 模块采用 SiC SBD 与 SiC MOSFET 一体化封装。目前 SiC SBD 二极管和 SiC MOSFET 应用最广泛、市场化成熟度最高。

图13 SiC 功率器件分类

（2）相较于第一、二代半导体材料，碳化硅材料禁带宽度更大、热导率和击穿场强更高，在高温、高压、高频、大功率电子器件领域优势显。半导体材料历经了三代发展，第一代半导体以硅、锗为代表，带动以集成电路为核心的微电子产业的快速发展，第二代半导体材料以砷化镓为代表，具有较好的电子迁移率和带隙，在卫星通讯等领域广泛应用，第三代半导体以碳化硅、氮化镓为代表，在高温、高耐压以及承受大电流等方面更具优势。相比于传统硅基材料，SiC 的禁带宽度在 2.2~3.26ev 之间，是硅的 3 倍左右，击穿场强在 3~5MV/cm 之间，是硅的 8-10 倍，能承受更大的电流和电压，具有耐高压特性，热导率在 3.6~4.9W/cm*K 之间，是硅的 4-5 倍，能在更高温度下工作，具有耐高温特性。因此碳化硅器件在高温、高压、大功率电子器件和航天、军工等极端应用领域中具有不可替代的优势。此外，碳化硅基模块集成度更高，可以缩小模块体积 50%以上，从而消减功率损耗，降低综合成本

（3）在碳化硅器件的成本结构中，上游中的衬底占比 47%，是价值量最大的环节。SiC 产业链上游是衬底和外延，中游是器件的设计、制造和封测环节，下游是终端应用，碳化硅产业链价值量集中于上游，成本占比为 70%，其中衬底占比 47%，价值量最大，也是最重要的环节，衬底的性质决定器件的最终应用领域，根据所生长外延片的不同，碳化硅衬底可分为导电型和半绝缘型，导电型衬底的外延是碳化硅，主要用于制造耐高温、耐高压的功率器件，广泛应用于新能源汽车、光伏新能源发电、电力系统、轨道交通等领域，而半绝缘型衬底的外延是氮化镓，主要用于制造微波射频器件，应用于 5G 通信、国防军工等领域。国内上游中游全布局的企业仅有三安光电，布局上游衬底的公司以天科合达和天岳先进为主，布局中游的 IDM 厂商包括时代电气、华润微、扬杰科技等，晶圆制造的 foudary 厂商主要是以积塔半导为代表，封测厂商主要包括长电科技、通富微电等。