功率半导体是什么？
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一、功率半导体器件的研究意义
1.功率半导体器件是电力电子技术及其应用装置的基础，是推动电力电子变换器发展的主要源泉。功
2.电力电子变换器的功率等级覆盖范围非常广泛
3.电力电子变换器的应用领域越来越广泛，同时也对功率半导体器件提出了更高的性能需求。
4.功率半导体器件应用需要考虑大功率电路应用的特性，如绝缘、大电流能力等，在实际应用中，以动态的“开”和“关”为运行特征，一般不运行在放大状态。
二、功率半导体板块的重大产业意义：
1、下游需求拉动或将超预期，有但不仅限于新能源车、白色变频家电、手机等消费电子产品，产业层面比亚迪、格力/海尔/海信、华为等功率半导体需求持续旺盛，且国产化替代需求潜力巨大。
2、功率半导体产业链是本土半导体部分相对最成熟环节之一，设计、制造、封测、应用等发展积累丰富，伴随北京燕东、积塔半导体、华虹集团、华润、士兰微等功率IC制造能力的扩容，IDM和代工两种功率IC生态将在本土逐步并行发展，产业链综合能力将显著提升！
3、功率领域设备材料将迎关键落地且快速发展时期，前道IC设备（物理气相沉积、刻蚀、清洗、炉管等），以及大硅片（12英寸），将是最显著受益部分。
4、能源转换领域，功率半导体产业意义甚至高于一般集成电路产品；碳化硅SiC和氮化镓GaN等第三代功率半导体（即宽带隙半导体，或宽禁带半导体），为中长期发展提供更大裕度空间。
三、功率半导体器件的分类方式
按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分类：
按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分类：
根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类：
按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类：
四、功率半导体的分类
电力电子器件（PowerElectronicDevice），又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。
1.MCT（MOSControlledThyristor）：MOS控制晶闸管
2.IGCT（IntergratedGateCommutatedThyristors）
3.IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor）电子注入增强栅晶体管
4.IPEM（IntergratedPowerElactronicsModules）：集成电力电子模块
5.PEBB（PowerElectricBuildingBlock）
6．超大功率晶闸管
7.脉冲功率闭合开关晶闸管
8.新型GTO器件-集成门极换流晶闸管
9．高功率沟槽栅结构IGBT（TrenchIGBT）模块
10.IEGT（InjectionEnhancedGateTrangistor）电子注入增强栅晶体管
11.MOS门控晶闸管
12.砷化镓二极管
13.碳化硅与碳化硅（SiC）功率器件
五、大功率半导体器件的发展
1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管，在国内，60年代晶闸管研究开始起步。
晶闸管、模块、IGBT的发明和发展顺应了电力电子技术发展的不同需要。
高电压、大电流、高频化、模块化、智能化的方向发展。
六、国内外功率半导体器件的发展
在特高压直流输电技术需求的驱动下，我国以晶闸管为代表的半控型器件技术已经成熟。
1.硅基IGBT器件
国际上，2500V以上大功率IGBT主要供货商有英飞凌、ABB、三菱和东芝。
国内，研究机构与国内的芯片代工厂合作开发出3300V~6500V系列IGBT和FRD芯片。
总体来看，以ABB为代表的国际大公司在高压大功率IGBT方面一直处于引领者的地位。
2.SiC器件优良的综合性能，如高电压、高结温等。
国外SiC中低压器件已产品化，高压器件处于样品研发与试用阶段。
国内在SiC材料方面，已研制出6英寸SiC衬底样品;
在SiC器件领域，国外大公司仍是行业主导，在中低压中小功率SiC器件方面已形成完整产业链
七、功率半导体如何简单理解：
功率半导体实际上是能量控制元件，由于未来电力设备功率越来越大，对能量控制的精度越来越高，所以才对功率半导体有了更高的要求，IGBT就是功率半导体里面最新的一代技术。电力电子器件（PowerElectronicDevice），又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。电能变换与电能控制，功率半导体实际上是能量控制元件。改变电流属性，变流，整流，转换，变频。类似一个模具，你需要啥电流就给弄个对应模具。类似一个模具，你需要啥电流就给弄个对应模具。一个电器需要很多不同功能就需要各种各样的电流与脉冲。功率半导体就像模具一样制造出符合要求的对应电流。
基本的电力转换的四种方式1、变流器（DC/AC）2、整流器（AC/DC）3、DC/DC转换器4、变频器（AC/AC）所有的转换器都有一个共同的目标，就是实现100%的能量转换率（转换过程中没有任何能量损失）。
八、功率半导体的六大应用场景
在任何需要节能转换和操纵电力的地方都需要功率半导体，主要包括六大大应用场景：
1、电动汽车：2、可再生能源发电：3、工业和自动化：4、储能：5、数据中心和服务器：6、消费类电子产品/白色家电：
九、功率半导体的种类及比较
功率半导体从器件工作原理来看可以分为：二极管，晶闸管，MOSFET，以及IGBT。
四种主要的功率半导体器件
1）二极管,2）晶闸管,3）MOSFET,4）IGBT
十、功率半导体的性能差异比较
1.二极管和晶体管的性能差异：
2.晶闸管：通过电流控制电流，频率低，
3.分立器件和模组的比较
分立器件，功率模块，
4.功率半导体制造工艺由于功率半导体需要不同的；CMOS半导体材料和工艺;后端封装工艺。
十一、功率半导体产业链梳理
1.功率半导体发展历史
2.功率半导体全球市场分析
功率半导体市场中，占比最大的企业是infineon，19%；按照产品种类来划分，最重要的产品是mosfet和IGBT。其他产品，BJT，晶闸管以及二极管等市场非常分散且价值量较低。
3.功率半导体下游需求分析
1）电动汽车：通常电气化意味着功率半导体内容的价值在传统汽车和电动汽车之间增加了五倍多。
2）在传统汽车中：功率半导体仅限于空调系统以及汽车的各种控制和执行器。
3）可再生能源发电电场需要比传统燃煤电站多30倍的功率半导体。
4）工业和自动化使用IGBT的变速驱动器越来越多地取代工业应用中的传统电机，因为它们可以显着提高能效。
5）储能高效的能量储存对于向可再生能源对总发电的更高贡献的转变至关重要。能量存储需要再次供电：电池充电器，逆变器，用电池为电网供电。
6）数据中心和服务器在优化数据中心的能效方面发挥着核心作用，从而降低了运营成本。它允许数据中心通过服务器机架中的计算和存储自动扩展电池备份容量。
7）消费电子/家电功率半导体是每款智能手机的核心;它们控制充电机制，功率输出和能效。
十二、全球功率半导体企业一览
从经营规模和利润水平来看，国内功率半导体企业和国外龙头企业仍然有明显的差距。国际龙头Infineon2018年营业收入达到96.7亿美元，而国内最大的功率半导体企业士兰微2018年营业收入仅为4.3亿美元。同时，国内大部分功率半导体企业的盈利能力也明显低于国外同行，仅有斯达半导，士兰微，扬杰科技的盈利能力接近国外竞争对手。而从产品类型来看，国外龙头企业产品线更加丰富同时高价值量的产品收入占比也更高。但是，随着行业的长期景气来临，我们认为国产功率半导体的持续增长趋势明确，替代空间巨大。
Infineon英飞凌科技公司
Rohm罗姆（Rohm）半导体集团是全球最知名的半导体厂商之一
OnSEMIOnSemiconductorCorporation安森美半导体创立于1999年。
ST意法半导体（ST）集团于1987年成立，是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。
VishayVishayIntertechnology,Inc.是一家分立半导体和无源元件的全球领先的制造商和供应商。
正文
一、功率半导体器件的研究意义
1.功率半导体器件是电力电子技术及其应用装置的基础，是推动电力电子变换器发展的主要源泉。功率半导体器件处于现代电力电子变换器的心脏地位，它对装置的可靠性、成本和性能起着十分重要的作用。40年来，普通晶闸管（Thyristor，SCR）、门极关断晶闸管（GTO）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）先后成为功率半导体器件的发展平台。能称为“平台”者，一般是因为它们具备以下几个特点：①长寿性，即产品生命周期长；②渗透性，即应用领域宽；③派生性，即可以派生出多个相关新器件家属。
2.电力电子变换器的功率等级覆盖范围非常广泛，包括小功率范围（几W到几kW），如笔记本电脑、冰箱、洗衣机、空调等；中功率范围（10kW到几MW），如电气传动、新能源发电等；大功率范围（高达几GW），如高压直流（HVDC）输电系统等。
3.电力电子变换器的应用领域越来越广泛，同时也对功率半导体器件提出了更高的性能需求。继前些年推出集成门极晶闸管（IGCT）和电子注入增强型栅极晶体管（IEGT）后，如今采用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）材料的新型功率器件已经应运而生。目前，功率半导体的发展主要是其功率承受能力和开关频率之间的矛盾，往往功率越大，耐压越高，允许的开关频率就越低。从功率半导体器件的个体来说，大功率和高频化仍是现阶段发展的两个重要方向。
4.功率半导体器件应用需要考虑大功率电路应用的特性，如绝缘、大电流能力等，在实际应用中，以动态的“开”和“关”为运行特征，一般不运行在放大状态。由功率半导体器件构成的电力电子变换器实施的是电磁能量转换，而不是单纯的开/关状态，它的很多非理想应用特性在电力电子变换器中起着举足轻重的作用。要用好功率半导体器件，既要熟悉电力电子变换器的拓扑，更要充分掌握器件本身的特性。
二、功率半导体板块的重大产业意义：
1、下游需求拉动或将超预期，有但不仅限于新能源车、白色变频家电、手机等消费电子产品，产业层面比亚迪、格力/海尔/海信、华为等功率半导体需求持续旺盛，且国产化替代需求潜力巨大。
2、功率半导体产业链是本土半导体部分相对最成熟环节之一，设计、制造、封测、应用等发展积累丰富，伴随北京燕东、积塔半导体、华虹集团、华润、士兰微等功率IC制造能力的扩容，IDM和代工两种功率IC生态将在本土逐步并行发展，产业链综合能力将显著提升！
3、功率领域设备材料将迎关键落地且快速发展时期，前道IC设备（物理气相沉积、刻蚀、清洗、炉管等），以及大硅片（12英寸），将是最显著受益部分。
4、能源转换领域，功率半导体产业意义甚至高于一般集成电路产品；碳化硅SiC和氮化镓GaN等第三代功率半导体（即宽带隙半导体，或宽禁带半导体），为中长期发展提供更大裕度空间。
三、功率半导体器件的分类方式
按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分类：
1.半控型器件，例如晶闸管；
2.全控型器件，例如GTO（门极可关断晶闸管）、GTR（电力晶体管），PowerMOSFET（电力场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）；
3.不可控器件，例如电力二极管；
按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分类：
1.电压驱动型器件，例如IGBT、PowerMOSFET、SITH（静电感应晶闸管）；
2.电流驱动型器件，例如晶闸管、GTO、GTR；
根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类：
1.脉冲触发型，例如晶闸管、GTO；
2.电子控制型，例如GTR、PowerMOSFET、IGBT；
按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类：
1.双极型器件，例如电力二极管、晶闸管、GTO、GTR；
2.单极型器件，例如PowerMOSFET、SIT、肖特基势垒二极管；
3.复合型器件，例如MCT（MOS控制晶闸管）、IGBT、SITH和IGCT。
四、功率半导体的分类
电力电子器件（PowerElectronicDevice），又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。
1.MCT（MOSControlledThyristor）：MOS控制晶闸管
MCT是一种新型MOS与双极复合型器件。如上图所示。MCT是将MOSFET的高阻抗、低驱动图MCT的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT是一个MOS门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。它与GTR，MOSFET，IGBT，GTO等器件相比，有如下优点：
（1）电压高、电流容量大，阻断电压已达3000V，峰值电流达1000A，最大可关断电流密度为6000kA/m2；
（2）通态压降小、损耗小，通态压降约为11V；
（3）极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20kV/s，di/dt为2kA/s；
（4）开关速度快，开关损耗小，开通时间约200ns，1000V器件可在2s内关断；
2.IGCT（IntergratedGateCommutatedThyristors）
IGCT是在晶闸管技术的基础上结合IGBT和GTO等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。
IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器功率0.5~3MW，三电平逆变器1~6MW；若反向二极管分离，不与IGCT集成在一起，二电平逆变器功率可扩至4/5MW，三电平扩至9MW。
目前，IGCT已经商品化，ABB公司制造的IGCT产品的最高性能参数为4［1］5kV/4kA，最高研制水平为6kV/4kA。1998年，日本三菱公司也开发了直径为88mm的GCT的晶闸管IGCT损耗低、开关快速等优点保证了它能可靠、高效率地用于300kW~10MW变流器，而不需要串联和并联。
3.IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor）电子注入增强栅晶体管
IEGT是耐压达4kV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。另外，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。日本东芝开发的IECT利用了电子注入增强效应，使之兼有IGBT和GTO两者的优点：低饱和压降，安全工作区（吸收回路容量仅为GTO的十分之一左右），低栅极驱动功率（比GTO低两个数量级）和较高的工作频率。器件采用平板压接式电机引出结构，可靠性高，性能已经达到4.5kV/1500A的水平。
4.IPEM（IntergratedPowerElactronicsModules）：集成电力电子模块
IPEM是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先是将半导体器件MOSFET，IGBT或MCT与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元，然后将这些积木单元迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木单元的上部，则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路集成在一个薄绝缘层上。IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化，大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统效率及可靠性
5.PEBB（PowerElectricBuildingBlock）
电力电子积木PEBB（PowerElectricBuildingBlock）是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。PEBB并不是一种特定的半导体器件，它是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。典型的PEBB上图所示。虽然它看起来很像功率半导体模块，但PEBB除了包括功率半导体器件外，还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。PEBB有能量接口和通讯接口。通过这两种接口，几个PEBB可以组成电力电子系统。这些系统可以像小型的DC-DC转换器一样简单，也可以像大型的分布式电力系统那样复杂。一个系统中，PEBB的数量可以从一个到任意多个。多个PEBB模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能，PEBB最重要的特点就是其通用性。
6．超大功率晶闸管
晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV/4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV/4kA和6kV/6kA的光触发晶闸管（LTT）。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC、静止无功补偿（SVC）、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。
现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA（6kV/6kA）用的高压大电流GTO。传统GTO的典型的关断增量仅为3～5。GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使其在关断期间dv/dt必须限制在500～1kV/μs。为此，人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。到目前为止，在高压（VBR》3.3kV）、大功率（0.5～20MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6in、6kV/6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有可能开发出10kA/12kV的GTO，并有可能解决30多个高压GTO串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统中的应用方面再上一个台阶。
7.脉冲功率闭合开关晶闸管
该器件特别适用于传送极强的峰值功率（数MW）、极短的持续时间（数ns）的放电闭合开关应用场合，如：激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能在数kV的高压下快速开通，不需要放电电极，具有很长的使用寿命，体积小、价格比较低，可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或真空开关等。
该器件独特的结构和工艺特点是：门-阴极周界很长并形成高度交织的结构，门极面积占芯片总面积的90%，而阴极面积仅占10%；基区空穴-电子寿命很长，门-阴极之间的水平距离小于一个扩散长度。上述两个结构特点确保了该器件在开通瞬间，阴极面积能得到100%的应用。此外，该器件的阴极电极采用较厚的金属层，可承受瞬时峰值电流。
8.新型GTO器件-集成门极换流晶闸管
当前已有两种常规GTO的替代品：高功率的IGBT模块、新型GTO派生器件-集成门极换流IGCT晶闸管。IGCT晶闸管是一种新型的大功率器件，与常规GTO晶闸管相比，它具有许多优良的特性，例如，不用缓冲电路能实现可靠关断、存贮时间短、开通能力强、关断门极电荷少和应用系统（包括所有器件和外围部件如阳极电抗器和缓冲电容器等）总的功率损耗低等。
9．高功率沟槽栅结构IGBT（TrenchIGBT）模块
当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常多采用沟槽栅结构IGBT。与平面栅结构相比，沟槽栅结构通常采用1μm加工精度，从而大大提高了元胞密度。由于门极沟的存在，消除了平面栅结构器件中存在的相邻元胞之间形成的结型场效应晶体管效应，同时引入了一定的电子注入效应，使得导通电阻下降。为增加长基区厚度、提高器件耐压创造了条件。所以近几年来出现的高耐压大电流IGBT器件均采用这种结构。
1996年日本三菱和日立公司分别研制成功3.3kV/1.2kA巨大容量的IGBT模块。它们与常规的GTO相比，开关时间缩短了20%，栅极驱动功率仅为GTO的1/1000。1997年富士电机研制成功1kA/2.5kV平板型IGBT，由于集电、发射结采用了与GTO类似的平板压接结构，采用更高效的芯片两端散热方式。特别有意义的是，避免了大电流IGBT模块内部大量的电极引出线，提高了可靠性和减小了引线电感，缺点是芯片面积利用率下降。所以这种平板压接结构的高压大电流IGBT模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器件。
10.电子注入增强栅晶体管IEGT（InjectionEnhancedGateTrangistor）
近年来，日本东芝公司开发了IEGT，与IGBT一样，它也分平面栅和沟槽栅两种结构，前者的产品即将问世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO两者的某些优点：低的饱和压降，宽的安全工作区（吸收回路容量仅为GTO的1/10左右），低的栅极驱动功率（比GTO低2个数量级）和较高的工作频率。加之该器件采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可靠性。
与IGBT相比，IEGT结构的主要特点是栅极长度Lg较长，N长基区近栅极侧的横向电阻值较高，因此从集电极注入N长基区的空穴，不像在IGBT中那样，顺利地横向通过P区流入发射极，而是在该区域形成一层空穴积累层。为了保持该区域的电中性，发射极必须通过N沟道向N长基区注入大量的电子。这样就使N长基区发射极侧也形成了高浓度载流子积累，在N长基区中形成与GTO中类似的载流子分布，从而较好地解决了大电流、高耐压的矛盾。目前该器件已达到4.5kV/1kA的水平。
11.MOS门控晶闸管
MOS门极控制晶闸管充分地利用晶闸管良好的通态特性、优良的开通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性、非常低的通态电压降和耐高压，成为将来在电力装置和电力系统中有发展前途的高压大功率器件。目前世界上有十几家公司在积极开展对MCT的研究。MOS门控晶闸管主要有三种结构：MOS场控晶闸管（MCT）、基极电阻控制晶闸管（BRT）及射极开关晶闸管（EST）。其中EST可能是MOS门控晶闸管中最有希望的一种结构。但是，这种器件要真正成为商业化的实用器件，达到取代GTO的水平，还需要相当长的一段时间。
12.砷化镓二极管
随着变换器开关频率的不断提高，对快恢复二极管的要求也随之提高。众所周知，具有比硅二极管优越的高频开关特性，但是由于工艺技术等方面的原因，砷化镓二极管的耐压较低，实际应用受到局限。为适应高压、高速、高效率和低EMI应用需要，高压砷化镓高频整流二极管已在Motorola公司研制成功。与硅快恢复二极管相比，这种新型二极管的显著特点是：反向漏电流随温度变化小、开关损耗低、反向恢复特性好。
13.碳化硅与碳化硅（SiC）功率器件
在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅（SiC）功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级，碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC器件的开关时间可达10nS量级，并具有十分优越的FBSOA。
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。
五、大功率半导体器件的发展
分立功率器件按照功率的大小划分为大功率半导体器件和中小功率半导体器件。具体来说，大功率晶闸管专指承受电流值在200A以上的晶闸管产品;大功率模块则指承受电流25A以上的模块产品;大功率IGBT、MOSFET指电流超过50A以上的IGBT、MOSFET产品。
1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管，国际上，70年代各种类型的晶闸管有了很大发展，80年代开始加快发展大功率模块，同时各种大功率半导体器件在欧美日有很大的发展，90年代IGBT等全控型器件研制成功并开始得到应用。
在国内，60年代晶闸管研究开始起步，70年代研制出大功率的晶闸管，80年代以来，大功率晶闸管在中国得到很大发展，同时开始研制模块;本世纪以来，开始少量引进超大功率晶闸管（含光控晶闸管）技术;近年来国家正在逐步引进IGBT、MOSFET技术。中国宏观经济的不断成长，带动了大功率半导体器件技术的发展和应用的不断深入。
晶闸管、模块、IGBT的发明和发展顺应了电力电子技术发展的不同需要，是功率半导体发展历程中不同时段的重要标志产品，他们的应用领域、应用场合大部分不相同，小部分有交叉。
高电压、大电流、高频化、模块化、智能化的方向发展。在10Khz以下、大功率、高电压的场合，大功率晶闸管和模块具有很强的抗冲击能力及高可靠性而占据优势，同时又因成本较低、应用简单而易于普及。在10Khz以上、中低功率场合，IGBT、MOSFET以其全控性、适用频率高而占据优势。
六、国内外功率半导体器件的发展
在特高压直流输电技术需求的驱动下，我国以晶闸管为代表的半控型器件技术已经成熟，水平居世界前列，6英寸的晶闸管已广泛用于高压直流输电系统，并打入国际市场，形成了国际竞争力。
1.硅基IGBT器件
国际上，2500V以上大功率IGBT主要供货商有英飞凌、ABB、三菱和东芝。ABB致力于器件开发、装置研制及工程应用，焊接型IGBT已有6500V/750A、3300V/1500A和1700V/3600A系列;压接型IGBT已有4500V/2000A、4500V/3000A系列，4500V/2000A已有工程应用，4500V/3000A仍处于试用与推广阶段。东芝的压接型IGBT采用圆形陶瓷管壳封装，主要有4500V/1500A和4500V/2100A系列，4500V/1500A在南澳柔性直流工程有应用。
国内，研究机构与国内的芯片代工厂合作开发出3300V~6500V系列IGBT和FRD芯片。有一两家企业已独立开发出3300V/1200A，3300V/1500A，4500V/1200A系列焊接型IGBT产品并已得到不同程度的批量应用，目前正开发3300~4500V/2000~3000A压接型IGBT。
总体来看，以ABB为代表的国际大公司在高压大功率IGBT方面一直处于引领者的地位，其器件技术水平比国内要领先一代左右，在市场占有方面处于垄断地位。而国内功率半导体研发制造企业只在一些单项技术方面取得了突破，尚未实现全产业链的整体突破，尚不具备与国外大公司相抗衡的能力。
2.SiC器件
与传统硅器件相比，SiC器件有着更加优良的综合性能，如高电压、高结温等。20世纪90年代，美国、日本和德国就开始对SiC材料和功率器件相关技术进行研究，各种SiC功率器件相继问世。在SiC材料方面，SiC材料微孔问题已得到解决，SiC衬底材料已由4英寸逐渐过渡到6英寸。在SiC器件方面，国外SiC中低压器件已实现产品化，高压器件还处于样品研发与试用阶段。CREE和ROHM已推出1.2kV/300A全SiC模块产品，三菱公司研发出1.7kV/1200A混合模块和3.3kV/1500A全SiC功率模块样品。在SiC器件高压应用方面，CREE、POWEREX和GE联合研制一台基于SiC-MOSFET的容量为1MVA、开关频率达20kHz的单相电力电子变压器。
国内在SiC材料方面，已研制出6英寸SiC衬底样品;外延方面，4~6英寸外延材料已初步形成产品;SiC器件方面，已研制出1.2kV/200A半桥结构的全SiC功率模块，3.3kV/600A混合模块样品;SiC器件高压应用方面，已研制出基于SiCMOSFET的200kVA换流器样机。
在SiC器件领域，国外大公司仍是行业主导，在中低压中小功率SiC器件方面已形成完整产业链，出货量呈倍增态势，正在步入成熟期。国内现阶段基本以研究为主，集中于SiC技术链条中的个别点上进行攻关，总体看综合实力不强，在材料和外延方面尚存在短板，与国际先进水平还有一定差距。
七、功率半导体如何简单理解：
功率半导体实际上是能量控制元件，由于未来电力设备功率越来越大，对能量控制的精度越来越高，所以才对功率半导体有了更高的要求，IGBT就是功率半导体里面最新的一代技术。电力电子器件（PowerElectronicDevice），又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。电能变换与电能控制，功率半导体实际上是能量控制元件。改变电流属性，变流，整流，转换，变频。类似一个模具，你需要啥电流就给弄个对应模具。类似一个模具，你需要啥电流就给弄个对应模具。一个电器需要很多不同功能就需要各种各样的电流与脉冲。功率半导体就像模具一样制造出符合要求的对应电流。
功率器件是功率电子器件的核心，特指转换并控制电力的功率半导体器件。电力有直流电（DC）、交流电（AC）之分，有电压、电流大小和频率的区别。电力转换包括转换一个或多个电压、电流或频率。“功率控制”指控制输入和输出的功率大小。核心是使用最小的输入控制功率保证输出功率的大小和时延。
基本的电力转换的四种方式
1、变流器（DC/AC）
变流器把直流电转换成交流电。变流器几乎使用在所有的电力和电子产品中，如供电电路中的电压波动整形、产生变频输出功率来控制电机转动速度，后者在变频空调、无级变速电机中的应用很广泛，在功率消耗方面由于传统的电机控制。
2、整流器（AC/DC）
整流器把交流电转换成直流电。有时候会用转换器这个词，但转换器更多用来指代所有的功率转换器件。
3、DC/DC转换器
DC/DC转换器通过把直流电切割成电脉冲，从而控制输出电压和电流大小。一种可替代的方法是使用变流器把直流电转换成交流电，再使用稳压器来调整电压，最后使用整流器把交流电转回直流电。
4、变频器（AC/AC）
变频器把交流电从一个频率转换到另一个频率，有周波变频器和矩阵变频器。也可以使用交流电功率稳压器，通过改变交流电源的相位来改变输出的交流电。
所有的转换器都有一个共同的目标，就是实现100%的能量转换率（转换过程中没有任何能量损失）。换句话说，一个完美的转化器在关闭的时候没有任何的漏电，在打开的时候没有任何电压损失，在开闭转换的时候没有任何的功率损耗。在这个领域的技术和材料的创新，都是为了提高能量转换效率。
八、功率半导体的六大应用场景
在任何需要节能转换和操纵电力的地方都需要功率半导体，主要包括六大大应用场景：
1、电动汽车：
新增的功率半导体器件的性能和功率效率是电动汽车运行的关键。汽车的电气化使所需的电力部件价值增加了5倍以上。元件主要用于逆变器，将非常高的能量电流引入汽车的电动机和电池充电器。
2、可再生能源发电：
可再生能源发电也需要高功率半导体，因为可再生能源不规则，需要高的发电效率才能实现经济可持续发展。以每兆瓦时为基础，风电场需要比传统燃煤电站多30倍的功率半导体价值量。
3、工业和自动化：
使用IGBT的变速驱动器越来越多地取代工业应用中的传统电机，因为它们可以显着提高能效。功率半导体对于工厂的进一步自动化也至关重要，“工业4.0”的革命在很大程度上取决于增加的功率和传感器半导体内容，以驱动工厂的机器人技术。
4、储能：
可再生能源（特别是风能和太阳能）;取决于天气和气候，这固有地导致电网中的能量波动。有效的能量存储对于向可再生能源对总发电的更高贡献的转变至关重要，并且需要再次有效地转换电能，即功率半导体。
5、数据中心和服务器：
功率半导体在优化数据中心的能源使用方面发挥着核心作用，用于整流，电池充电和DC/AC逆变。专门研究超大规模环境，本地化备用电源（所谓的“电池架上电池”）增加了服务器机架内部功率半导体元件的使用。未来的发展，包括氮化镓的使用和能量比例计算将继续增加数据中心中功率半导体使用的广度。
6、消费类电子产品/白色家电：
功率半导体是每款智能手机的核心;它们控制充电机制，功率输出和能效。在白色器具中，优化的感应技术例如在烹饪用具使加热更快更均匀，同时使用更节能。功率半导体也是“智能”白色家电的核心。
九、功率半导体的种类及比较
功率半导体从器件工作原理来看可以分为：二极管，晶闸管，MOSFET，以及IGBT。
四种主要的功率半导体器件
1）二极管
二极管是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件。它具有单向导电性能，即给二极管阳极和阴极加上正向电压时，二极管导通。当给阳极和阴极加上反向电压时，二极管截止。因此，二极管的导通和截止，则相当于开关的接通与断开。
2）晶闸管
晶闸管设计用于在高电流和高电压下工作，并且通常用于AC电流到DC电流的整流以及AC电流到不同幅度或频率的整流。我们通常将晶闸管分为以下几组：可控硅整流器（通常称为晶闸管）和栅极关断晶闸管（GTO），它们是高功率器件，与常规晶闸管相比，可以通过门信号。
3）MOSFET
MOSFET和标准双极晶体管之间的基本区别在于源极-漏极电流由栅极电压控制，使其工作比需要高基极电流导通的双极晶体管更节能。此外，它具有快速关闭功能，允许其以高频率切换。最后，MOSFET不易受“热失控”的影响，因此特别适用于家用电器，汽车和PC电源的电源设计。
4）IGBT
IGBT将双极晶体管的某些特性与单个器件中的MOSFET的特性结合在一起。IGBT与MOSFET有显着差异，制造起来更具挑战性。最大的差异是在上图中显示的N源极/漏极下的附加P衬底，其阻止反向电流流动。展品8-9）
IGBT器件可以处理大电流（如双极晶体管）并受电压控制（如MOSFET），使其适用于高能量应用，如变速箱，重型机车，大型船舶螺旋桨等。
十、功率半导体的性能差异比较
在实际使用中，功率半导体根据器件的实际性能差异应用于不同的场景，并且可以选择选择分立器件和模组两种封装形式。
1.二极管和晶体管的性能差异：
二极管和晶体管的关键功能是相同的–控制开关的开/关功率（电）。二极管和二极管之间的主要区别之一晶体管是二极管将交流电（AC）转换成直流电（DC）晶体管将输入信号从低阻电路传输到高电阻电路。二极管也称为晶体二极管，因为它是由晶体（硅或锗）。它是一个两端子设备，当正极电源端子连接到p型区域，负极端子为连接到二极管的n区域。
晶体管具有三个区域，即发射极，集电极和基极。发射器是重掺杂，以便它可以将重的带电粒子转移到基极。的基础晶体管尺寸更小，掺杂更轻，从而电荷载流子容易移动从基地到集热区。集电极是晶体管的最大区域，因为它可以消散基极-集电极结处产生的热量。总的来说，晶体管器件是现代集成电路产业的根基，这要归功于其更全面的功能。
晶闸管/MOSFET/IGBT的比较：
2.晶闸管：通过电流控制电流，频率低，
MOSFET：电压控制电压，频率高，mos管的最大劣势是随着耐压升高，内阻迅速增大（不是线性增大），所以高压下内阻很大，不能做大功率应用。mos开关速度快，意味着开关损耗小（开关发热小），同样电流导通压降低，意味着导通损耗小（还是发热小）
IGBT：电压控制电流，频率适中，在低压下igbt相对mos管在电性能和价格上都没有优势，所以基本上看不到低压igbt，并不是低压的造不出来，而是毫无性价比。在600v以上，igbt的优势才明显，电压越高，igbt越有优势，电压越低，mos管越有优势。所以高压下igbt优势明显，既有高开关速度（尽管比mos管慢，但是开关比三极管快很多），又有三极管的大电流特性。
3.分立器件和模组的比较
功率半导体器件或者作为单个器件封装在单个封装中（分立器件），或者与模块中的其他半导体器件（模块）集成。下面是两个类别的概述：
分立器件：
在典型的电源中，需要许多单个半导体器件，或“分立”。集成许多不同的组件可能具有挑战性，每个组件都增加了系统的复杂性。但是，分立元件的成本低于集成模块，可以轻松集成到定制系统中，并且可以在发生故障时轻松更换。
功率模块：
功率模块通常提供更好的功率密度，并且比一系列分立器件更可靠-因为此类模块通常用于需要长时间高可靠性的系统，例如风力转换器，太阳能系统等。
功率半导体制造工艺
前端晶圆制造工艺。功率半导体需要在薄晶圆上制造。当电流流过半导体器件时，各层硅的厚度增加导致饱和电压增加和开关损耗增加。这两个因素都对功率半导体器件的性能有害，主要是因为它们导致能量损失和发热。因此，薄晶圆的制造至关重要：它可以提高电源效率，并更好地散发元件产生的热量。
由于功率半导体需要不同的CMOS半导体材料和工艺;他们需要专门的晶圆厂。这意味着功率半导体的规模对于建立具有成本效益的前端制造能力至关重要。
后端封装工艺。所谓封装是将前端操作中制造的芯片“封装”到电源组件中的过程在专用的后端设备中进行。功率密度是半导体元件的主要竞争特征，并且元件的热性能是实现更高功率密度的最重要的杠杆。因此，部件的封装质量是功率部件差异化的关键因素。
十一、功率半导体产业链梳理
1.功率半导体发展历史
功率半导体最早出现在1950年代，1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，并在60年代得到广泛应用；1980年后逐渐发展出功率各种新型晶闸管，单极性MOSFET，双极性MOSFET；90年代研发出IGBT，此后逐步出现功率模块和集成功率器件。目前功率器件主要以Si基材料为主，包括SOI高压集成电路，随着第三代半导体的发展，以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料开始成为功率半导体的新兴材料。
2.功率半导体全球市场分析
近几年全球功率半导体市场规模一直稳定在150-200亿美元的水平，占到全球半导体市场规模5%左右的比例。其中绝大多数市场被国外厂商垄断，包括英飞凌，TI，NXP，日本瑞萨等，中国产品还有很大的替代空间，前十名厂商占有57%的市场份额。相对于集成电路行业，分立器件市场集中度更低，商业生态壁垒不高。
1）功率半导体市场中，占比最大的企业是infineon，19%；按照产品种类来划分，最重要的产品是mosfet和IGBT。其他产品，BJT，晶闸管以及二极管等市场非常分散且价值量较低。
从最主要的IGBT和MOSFET市场来看，Infineon分别以27%和28%的市占率位居全球第一的位置。其他公司，包括三菱电机，富士电机，Renesas和ST也占据了较高的市场份额。不同于二极管市场和晶体管市场的高度分散化，IGBT和MOSFET市场由于其技术门槛更高，具备更高的市场集中度。
根据IHS资料，2016年MOSFET占晶体管总市场的55％，其次是IGBT和BJT的30％和15％的份额。但是，IGBT市场将在2016-21F年经历更强劲的增长，复合年增长率为8％。主要驱动力来自工业和汽车领域，它们分别得益于工厂自动化和汽车电气化。对于MOSFET，整个应用的需求和增长速度之间更加平衡预计在2016-21F年复合年增长率为3％，这主要是由工业部门推动的。
3.功率半导体下游需求分析
1）电动汽车：功率半导体是电动汽车运行的关键，其性能和功率效率。普通传统汽车的半导体价值量约为340美元，主要产品是微控制器（78美元），传感器（44美元）和功率半导体（71美元）。通常电气化意味着功率半导体内容的价值在传统汽车和电动汽车之间增加了五倍多。
2）在传统汽车中：功率半导体仅限于空调系统以及汽车的各种控制和执行器。这意味着相对较小的部件和较小的成本。在电动汽车中，主要功率半导体元件变为：为汽车的高扭矩电动机供电所需的转换器，用于降低电池电压的DC/DC转换器，用于电池充电器的附加类似组件，特别高增压要求。这些组件的质量和性能是决定汽车性能的主要因素（更高的扭矩需要更强的转换器）和功率效率（更好的转换器和充电器可带来更高效，更快速的充电和更好的范围）。
3）可再生能源发电
电场需要比传统燃煤电站多30倍的功率半导体。在风力涡轮机中，功率半导体在能量的产生，转换和运输中起着至关重要的作用。风力涡轮机中的功率半导体的质量和可靠性要求特别严格，在恶劣环境中操作时，部件暴露于日常活动的大波动（特别是这适用于暴露于盐和湿度的海上涡轮机）。同样，太阳能发电和转换也需要整个系统的功率半导体。太阳能系统中的功率半导体需要高效，因为需要最小化开关损耗，而组件的可靠性和耐用性对系统的性能也是至关重要的。
4）工业和自动化
使用IGBT的变速驱动器越来越多地取代工业应用中的传统电机，因为它们可以显着提高能效。变速驱动器本质上是“节流阀”，可以精确控制工业电机，这是当今最大的电力用户。目前部署的大多数工业电机以固定速度转动，并且只能通过“制动”来减速，从而导致摩擦并因此导致效率损失。变速驱动器可以更好地匹配扭矩和旋转与负载要求，这样可以节省约20-30％的能源消耗，目前大多数工业电机仍由传统电机供电。
5）储能
可再生能源（特别是风能和太阳能）;取决于天气和气候，其固有地引起与电网运行不直接相关的能量波动。因此，高效的能量储存对于向可再生能源对总发电的更高贡献的转变至关重要。能量存储需要再次供电：电池充电器，逆变器，用电池为电网供电。
6）数据中心和服务器
数据中心的用电量非常高，是其运营成本的重要因素。谷歌在其数据中心使用足够的能源来为20万户家庭供电。功率半导体在优化数据中心的能效方面发挥着核心作用，从而降低了运营成本。在数据中心，功率半导体（IGBT和MOSFET）用于整流，电池充电和DC/AC反相。
特别是在超大规模环境中（即谷歌和Facebook等人使用的数据中心），本地化电源（所谓的“电池架上电池”）用于备用电源需求，而不是使用集中式UPS，这需要更多的功率半导体内容。根据微软的说法，“架空式电池”的使用将数据中心的占地面积减少了约25％（不再需要建造一个独立的房间，容纳巨大的UPS电池），并将电源使用效率提高多达15％。此外，它允许数据中心通过服务器机架中的计算和存储自动扩展电池备份容量。
7）消费电子/家电
功率半导体是每款智能手机的核心;它们控制充电机制，功率输出和能效。在白色器具中，优化的感应技术例如在烹饪用具使加热更快更均匀，同时使用更节能。功率半导体也是“智能”白色家电的核心。
十二、全球功率半导体企业一览
从经营规模和利润水平来看，国内功率半导体企业和国外龙头企业仍然有明显的差距。国际龙头Infineon2018年营业收入达到96.7亿美元，而国内最大的功率半导体企业士兰微2018年营业收入仅为4.3亿美元。同时，国内大部分功率半导体企业的盈利能力也明显低于国外同行，仅有斯达半导，士兰微，扬杰科技的盈利能力接近国外竞争对手。而从产品类型来看，国外龙头企业产品线更加丰富同时高价值量的产品收入占比也更高。但是，随着行业的长期景气来临，我们认为国产功率半导体的持续增长趋势明确，替代空间巨大。
Infineon
英飞凌科技公司于1999年在德国慕尼黑正式成立，是全球领先的半导体公司之一。公司前身为西门子集团的半导体部门，于1999年独立，2000年上市。公司作为国际半导体产业创新的领导者，为有线和无线通信、汽车及工业电子、内存、计算机安全以及芯片卡市场提供先进的半导体产品及完整的系统解决方案。
作为功率半导体领导者，英飞凌是市场上唯一一家提供覆盖硅、碳化硅和氮化镓等材料的全系列功率产品的公司，拥有高性价比的第七代CoolMOS、基于第三代宽禁带半导体的高性能CoolSiC与CoolGaN、以及支持更高频率应用的第六代OptiMOS等丰富产品组合，从芯片技术层面提升电源效率。
Rohm
罗姆（Rohm）半导体集团是全球最知名的半导体厂商之一，公司于1958年作为小电子零部件生产商起家，于1967年和1969年逐步进入了晶体管、二极管领域和IC等半导体领域。公司产品涉及多个领域，其中包括IC、分立元器件、光学元器件、无源元件、模块、半导体应用产品及医疗器具。
公司的重点业务之一为功率半导体，目前提供MOSFET、IGBT、FRD等分立元件及栅极驱动IC等大量功率半导体器件。为满足更广泛用途需求，公司增加SiC产品开拓耐高压器件市场。
OnSEMI
OnSemiconductorCorporation安森美半导体创立于1999年。该公司及其子公司从事节能电子驱动创新业务。公司的系列产品包括电源和信号管理、逻辑、离散和定制设备，包括汽车，通信，计算机，消费，工业，LED照明，医疗，军事飞机，航空航天，智能电网与电源的应用。公司设计，制造和销售先进的电子系统和广泛的半导体元件，以解决设计组合的需要。
公司的电源管理半导体元件对不同的电子设备进行控制，转换，保护和监控电源。公司的定制的ASIC，DSP，因其混合信号和先进的逻辑能力，成为许多汽车，医疗设备，军事飞机，航空航天，消费和工业领域的独特产品。公司的数据管理半导体组件提供高性能的时钟管理和数据流管理，精密的计算和通信系统。公司的标准半导体元件作为基础组件存在于几乎所有类型的电子设备。其产品应用包括便携式电子产品，电脑，游戏机，服务器，汽车和工业控制系统，LED照明，电源，网络和电信设备和自动化测试设备。
ST
意法半导体（ST）集团于1987年成立，是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。1998年5月，SGS-汤姆森半导体公司将公司名称改为意法半导体有限公司。意法半导体是世界最大的半导体公司之一、领先的集成设备制造商，为智能驾驶，智能工厂，智慧家居与城市和智能产品提供关键解决方案。
公司拥有丰富的芯片制造工艺，包括先进的FD-SOI（全耗尽绝缘体上硅）、CMOS（互补金属氧化物半导体）、差异化影像技术、RF-SOI(射频绝缘层上硅)、Bi-CMOS、BCD(Bipolar,CMOS,DMOS)，SiliconCarbide（碳化硅）、VIPower和MEMS技术，在全球建立了巨大的前后工序制造网络。
Vishay
VishayIntertechnology,Inc.是一家分立半导体和无源元件的全球领先的制造商和供应商。威世成立于1962年，公司开始以箔电阻及箔电阻应变计作为其最初产品系列开展经营。1985年，Vishay开始了一系列战略收购以使自己成为可提供广泛电子元件的制造商。
公司收购的分立电子元件顶级厂商包括达勒(Dale)、思芬尼（Sfernice）、迪劳瑞(Draloric)、思碧(Sprague)、威趋蒙(Vitramon)、硅尼克斯(Siliconix)、通用半导体(GeneralSemiconductor)、BC元件（BCcomponents）、贝士拉革(Beyschlag)、国际整流器（InternationalRectifier）的某些分立半导体与模块。威世品牌的产品代表了包括分立半导体、无源元件、集成模块、应力感应器和传感器等多种相互不依赖产品的集合。
Vishay生产多种分立半导体器件。这些产品通常执行单一功能，如开关、放大、整流或传输电信号。此外，Vishay还生产某些IC，这些IC在单个芯片上结合了多个器件的功能，同时，还生产在一个封装内包含多个器件的模块。Vishay半导体产品包括MOSFET（低压、中压和高压）、IC（功率和模拟）、各种二极管和整流器，以及多种不同种类的光电器件。
国内功率半导体企业