MOSFET：最理想的功率器件

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）即金属氧化物半导体场效应晶体管。因其具有驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性强等优势被称为最理想的功率器件。

MOSFET芯片结构示意图

来源：cnblogs

MOSFET是四端器件，所以除了栅极（G）、源极（S）、漏极（D）外，还有基极（B）。栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起，这样，相当于D与S之间有一个PN结。

不同结构 MOSFET 适用不同电压范围，MOSFET 主要用于高频率和中低压中小功率应用中。

常见的功率 MOSFET 类型

资料来源：新洁能，芯八哥整理

相较于其他功率半导体产品，MOSFET具有开关频率高，稳定性强的优点，因此MOSFET多应用于汽车、工业等领域。据MEMS预测，2022年MOSFET终端应用占比中，汽车占比为22%，计算机及存储占比为19%，工业占比为14%。

2022 年 MOSFET 终端应用占比预测

数据来源：MEMS，芯八哥整理

应用广泛，百亿美元MOSFET市场正在爆发

2019 年全球 MOSFET 市场规模达 79.29 亿美元，2020 年全球 MOSFET 市场规模达 80.67 亿美元。2021 年在全球尤其是中国的 5G 基础设施和 5G 手机、PC 及云服务器、电动汽车、新基建等市场推动下，全球 MOSFET 增速将以较高速度增长。预计 2021年至 2025 年，MOSFET 每年的增速将不低于 6.7%，预计 2025 年将达到 118.47 亿美元。

全球MOSFET市场规模（亿美元）

数据来源：中金企信，芯八哥整理

5G 基站部署将拉动MOSFET用量。2021 年中国 5G 基站建设在 60 万个以上，5G 基站对电源供应需求大，射频端功率半导体用量提升，雾计算、云计算拉动功率半导体需求量。根据英飞凌， 5G基站采用的MOSFET等功率半导体用量是4G LTE基站的4倍以上。

基站中的MOSFET应用

资料来源： EET、英飞凌

快充技术进步，GaN-MOS逐步替代硅基MOSFET。随着人们对充电效率的要求逐步提高，手机充电出现了“快充”模式，即通过提高电压来达到高电流高功率充电，但高电压存在安全隐患，需要添加同步整流的MOS管来调整﹔后来出现较为安全的“闪充”模式，即通过低电压高电流来实现高速充电，这对同步整流MOS管的要求更高，目前较为普遍的是GaN-mos管，它可以实现发热少、体积小的目的。

MOSFET在快充中的应用

资料来源： 《第三代半导体产业収展报告（ 2019年）》

新能源汽车快速发展，MOSFET需求爆发。2021年全国新能源汽车销售350万辆，同比增长157.5%。MOSFET是汽车电子的核心。无论是在引擎、或者驱动系统中的变速箱控制和制动、转向控制中还是在车身中，都离不开MOSFET。在传统汽车中的助力转向、辅助刹车以及座椅等控制系统等，都需要加上电机，所以传统汽车的内置电机数量迅速增长，带动了MOSFET的市场增长。新能源汽车中，除了传统汽车用到的半导体需求之外，还包括BMS、EPS、车身控制模块网关ECU、ADAS等。

MOSFET在汽车上的应用

资料来源 : 雷克萨斯

国产MOSFET厂商崭露头角，国产替代加速

全球市场格局方面，2020年全球MOSFET市场英飞凌占据24%的市场份额，位居第一。华润微、安世半导体、士兰微入围全球前十名企业，市占率分别为3.9%、3.8%和2.2%。

2020年全球MOSFET市场格局

资料来源： Omdia，芯八哥整理

受益于半导体行业日益深入的国产替代浪潮，目前国内MOSFET厂商的营收体量迅猛增长，IDM模式占据主流。华润微是目前国内营业收入最大、产品系列最全的MOSFET厂商。

国内主要MOSFET厂商介绍

资料来源：东微半导体，芯八哥整理

海外大厂产品技术领先，部分国产器件参数达到国际先进水平。600V高压MOSFET产品横向对比，英飞凌G7产品性能最为出色，达到2.95Ω·nC，本土厂商大部分产品存在较高的栅电荷，开关速度较慢，导致综合性能低于海外大厂。60V中低压MOSFET方面，国际品牌DFN5*6封装形式产品的导通电阻最低达到0.93mohm，为安森美的NTMFS5C604NL，本土厂商在导通损耗和开关速度方面处于劣势。近年来随着国产厂商产品技术持续优化升级，有望进一步缩小本土产品和海外产品的技术差距。

600V/0.16Ω左右MOSFET产品对比

数据来源：东微半导体，芯八哥整理

600V中低压MOSFET产品对比

数据来源：东微半导体，芯八哥整理

MOSFET升级之路：制程缩小+技术变化+工艺进步+第三代半导体

MOSFET更新迭代时间表

资料来源：新洁能、芯八哥整理

制程缩小：MOSFET的生产工艺在1976-2000年左右跟随摩尔定律不断缩小制程线宽。生产工艺制程从早期的10微米制程迭代至0.15-0.35微米制程。

技术变化：MOSFET经历了3次器件结构上的技术革新∶沟槽型、超级结、Insulated Field Plates。每一次器件结构的变化，在某些单项技术指标上产品性能得到飞跃，大幅拓宽产品的应用领域。

工艺进步∶在同一个器件结构下，通过对生产工艺进行调整，产品FOM性能取得小幅改善。

材料迭代：SiC、GaN半导体功率器件兴起。

随着越来越多新能源车型采用碳化硅器件，显示出碳化硅对传统车用硅基IGBT的替代已经逐渐展开。特斯拉上海工厂和比亚迪在其电机控制器的逆变器中已经采用了SiC MOSFET的芯片作为核心的功率器件。丰田、大众、本田、宝马、奥迪等汽车企业也都将SiC功率器件作为未来新能源汽车电机驱动系统的首选解决方案。

国内SiC供应商中，比亚迪半导体实现了SiC三相全桥模块在新能源汽车电机驱动控制器中大批量装车。2022年，国内造车新势力蔚来ET7、小鹏G9均采用了碳化硅器件。国内车厂的SiC MOSFET渗透率有望加速提升，随着搭载高功率电机的新能源车销量增长，车载SiC MOSFET需求将持续增长。

大陆第三代半导体SiC产业链分布图

资料来源： 材料深一度、方正证券研究所

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