作為以電力電子技術為依托,以功率處理為核心的半導體器件,功率半導體既是電子裝置中進行電能(功率)處理的核心,又是弱電控制和強電運行之間的橋梁。上個世紀,半導體大規模集成電路、半導體激光器、以及各種半導體器件的相繼發明,引發了一場新的全球性產業革命,對現代信息技術革命產生了深遠影響。近年來,隨著萬物互聯的呼聲越來越高,移動通訊、交通、清潔能源等領域都在不斷提高電子化水平。
功率半導體器件的最早可以追溯到愛迪生發明電燈泡。在做管壁的防塵防煙實驗時,愛迪生無意間發現在燈泡管內插入獨立電極的地方與燈絲之間,在某種條件下會產生電流,這個現象被稱為“愛迪生效應”。1904年,英國佛萊明首次利用“愛迪生效應”研制出一種能夠充當交流電整流和無線電檢波的特殊燈泡——“熱離子閥”,從而催生了世界上第一只真空二極管,世界進入電子時代。隨后,三極真空管、晶體管相繼被發明。直到1957年,美國通用電氣公司發明了第一個晶閘管,標志著電力電子技術階段的開始,也就是第一代功率半導體器件穩步發展的開始。1970年代后期,以門極可關斷晶閘管(GTO)、電力雙極型晶體管(BJT)、電力場效應晶體管(Power-MOSFET)為代表的全控型器件迅速發展,第二代電力電子器件應運而生,推動功率半導體器件朝著智能化、高頻化的方向發展。1980年代后期,絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)出現,它集合了MOSFET的驅動功率小、開關速度快和BJT通態壓降小、載流能力大的優點,成為現代功率半導體的主要器件,在中低頻大功率電源中占重要地位。到20世紀90年代,智能功率模塊又推動功率器件的發展向大功率、高頻化、高效率邁進一大步。
功率半導體器件主要有功率模組、功率集成電路和分立器件三大類。其中,功率模組是將多個分立功率半導體器件進行模塊化封裝;功率集成電路對應將分立功率半導體器件與驅動/控制/保護/接口/監測等外圍電路集成;而分立功率半導體器件則是功率模塊與功率集成電路的關鍵。
隨著技術的不斷進步,功率半導體器件也在不斷演進。自上世紀80年代起,功率半導體器件MOSFET、IGBT和功率集成電路逐步成為了主流應用類型。根據年產值貢獻來看,IGBT、MOSFET、二極管及整流橋占據了功率半導體八成左右市場。
MOSFET:金屬-氧化物半導體場效應晶體管,簡稱金氧半場效應晶體管,是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效應晶體管。根據IHS統計數據,從市場份額來看,MOSFET幾乎都集中在國際大廠手中,其中英飛凌自2015年收購美國國際整流器公司后超越富士電機一躍成為行業龍頭;安森美也在2016年9月完成對仙童半導體的收購后,市占率躍升至第二位。在中國大陸市場部分,本土企業士蘭微和華微電子也占據了一席之地。
IGBT:絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,驅動功率小而飽和壓降低。適用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。目前全球IGBT市場結構與MOSFET類似,主要被5大原廠所長期壟斷。根據賽迪智庫統計,2017年英飛凌全球市場份額占比最高,達29%,三菱電機、富士電機、安森美、ABB分別以19%、12%、9%、5%的市場份額緊隨其后。
整流管:二極管,一般通過的電流較大,利用二極管單向導電性,可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈動直流電。功率二極管是中國大陸發展得最好的功率半導體器件領域,根據中國電子信息產業統計年鑒數據,2017年全球除Vishay(威世)以11.71%的市場占有率排名第一外,第二至第八名之間的市場份額差距并不大。加上不少國際大廠因為功率二極管門檻低、毛利潤小的原因正在逐漸放棄這類市場,產能轉向中國大陸和臺灣地區的趨勢明顯。
晶閘管:晶體閘流管的簡稱,具有硅整流器件的特性,能在高電壓、大電流條件下工作,被廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。目前大部分晶閘管產品需要進口,未來幾年國產替代空間很大。全球晶閘管市場規模大約60億元,國內晶閘管的市場規模大約30億元,占全球規模的50%左右。國內大功率半導體龍頭IDM企業臺基股份的主打產品即為晶閘管,官方資料顯示,目前公司已形成年產200萬只大功率晶閘管及模塊的生產能力,產品具有技術成熟性,是中國大功率半導體器件主要的提供者之一。
隨著工業、電網等傳統行業在電子化進程中不斷加速。在產業電子化升級的新時代,功率半導體作為其中的不可或缺的一環,也越來越得到重視與應用,在新興藍海中逐漸煥發出新活力。
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