半导体系列11半导体行业研究一文了解分

导语--前面我们花了十篇文章介绍了半导体的基本原理，及其最重要的一个分类集成电路的知识。我们已经知道半导体除了集成电路外，还有分立器件、光电子器件和传感器三个重要分类。这篇文章我们将通过一篇文章攻克与集成电路密切相关的分立器件这一重要半导体子行业的知识城堡，我们出发吧。

什么是分立器件呢？分立器件的“分立”一词是相对集成电路而言的，分立器件是单一的一个器件，具有单一的基本功能，分立器件可以说是集成电路的“始祖”，第一个二极管出现于年，比最早的集成电路早大约10年时间。集成电路是将大量电子元件包括分立器件集成于一块晶片上形成的，如果说集成电路是将成千上万个PN结集成到一块晶片上，而分立器件则只在晶片上形成一个或少量的PN结，实现一些相对简单的功能。

芯片的集成带来了更高的性能，如逻辑芯片的制程不断提高使得算力不断增强，但对于一些特定功能，如开关、整流、稳压等有要求的半导体产品，出于集成难度、稳定性与成本的考虑，对制程的追求并不强烈，于是以最初的形式保留，这就是分立器件的由来。有一种说法是在分立器件的发展过程中，随着半导体制造技术的发展，适合集成在芯片之中的分立器件演化为集成电路，而一些不适合集成于芯片之中或者即便适合但仍可单的则还是以分立器件的形式保留至今。我认为这种说法并不准确，比如人们熟知的二极管、三极管、晶体管、MOSFET（金氧半场效晶体管）与IGBT（绝缘栅双极型晶体管）都属于分立器件，他们也是集成电路的主要“集成对象”，因此并没有适不适合集成之说，而是出于实际应用的系统需要不同“集成度”的器件。

分立器件依据功率的标准可细分为功率器件与小信号器件，广泛运用于整流、稳压、保护、开关等功能，市场份额约占半导体总市场份额的5%。此外，值得注意的是，由于分立器件中的功率器件与之前讲到的模拟芯片中的电源管理芯片功能相似，本质上两者都是通过利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能，电源管理芯片也可称之为功率IC（也有人认为电源管理芯片是功率IC的最大分类，在我们的分类中，电源管理芯片已经包含功率IC的所有细分品类，故我们所说的电源管理芯片即是功率IC）。我们通常所说的功率半导体即是功率器件与功率IC的合集。功率半导体可与电容、电阻、电感、互感线圈等一起组成了以下各类电能转换设备，用以对电路中电压、电流、频率进行管理。由于小信号器件市场份额的占比较小，因此未来我们开启行业深度的系列文章时，将会把功率器件（延伸到功率模组如IGBT模组、智能功率模块IPM等）与功率IC作为功率半导体进行统一研究。接下来我们将分别介绍分立器件的两个细分行业，小信号器件与功率器件：

小信号器件，又称小功率半导体器件，指额定电流低于1A或额定功率低于1W的半导体分立器件。小信号器件可进一步细分为分为小信号二极管与小信号三极管。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（Electro-Staticdischarge，释放静电）。小信号三极管可进一步细分为普通小信号三极管、小信号MOSFET。其作用总结为下表：

小信号器件额定功率低，可以满足小电流电路的功能需求，将其与电阻、电容、电感等多种元器件进行合理的组合连接，可构成具有不同功能的电路，这些电路可实现对电路的开闭控制与续流，对调制信号的检波、限幅、钳位，对电路的稳压及脉冲、静电保护等多种功能。由于小信号器件额定电流低，通常不会应用于一次电源与二次电源间的整流转换，大多数应用场景集中于二次电源对电路中各并联功能模块的供电过程。我们在此简单解释一下上面所说的一些术语，这在下述功率器件的理解也很有帮助。

续流：当电路中有电感线圈时，变化的电流流过线圈会产生感应电动势。当电流消失时，线圈的感应电动势会对电路中的元件产生反向电压，当其高于元器件的击穿电压时会把元器件如三极管击穿造成损坏。此时需要续流二极管并联在线圈两端，当有反向感应电动势时通过二极管和线圈构成的回路做功将其消耗掉，从而保护其他元器件的安全，此谓之续流。

检波、限幅：检波也称解调，利用二极管的单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来。限制输出电压的幅度成为限幅。

钳位、隔离：钳位是利用二极管的稳定的正向压降或稳压二极管的稳定的反向击穿电压参数，将电路上的信号电平控制在预期的范围内，超过范围的信号将被丢弃。当二极管加反向电压时，二极管截止，相当于断路，阳极与阴极被隔离，称之为二极管的隔离作用。

功率器件是电力控制的核心器件，经历70余年的发展后，功率器件家族不断壮大。20世纪40年代，功率器件以二极管为主，主要产品是肖特基二极管、快恢复二极管等；晶闸管出现于年，兴盛于六七十年代；近20年来各个领域对功率器件的电压和频率要求越来越严格，MOSFET和IGBT逐渐成为主流，多个IGBT可以集成为IPM模块，用于大电流和大电压的环境。

功率器件可依据两种方法分类。一是根据可控性进行分类，第一类是不可控型功率器件，其开通和关断都不能通过器件本身进行控制，主要是二极管；第二类是半控型功率器件，其开通可控而关断不可控，主要是晶闸管（SCR）及其派生器件；第三类是全控型器件，其控制端不仅可以控制开通，也能控制关断，主要为晶体管。二是根据控制形式进行分类，也可分为三类，第一类是电流控制型，第二类是电压控制型，第三类是其他控制型，如光控、温控等。

根据控制形式划分的电流控制型主要包括晶闸管、双极型晶体管等；电压控制型主要包括MOSFET、IGBT等；其他控制型主要包括光控晶闸管、温控晶闸管等。相比之下，电压控制型器件的导通和关断只需要一定的电压和很小的驱动电流，因此器件的驱动功率很小，驱动电路比较简单，是功率器件中占比最大的细分品类。下面我们将主要根据可控性的划分对功率器件做一个简单的梳理。

不可控型，主要是二极管，其基本原理我们在本系列第三篇文章半导体系列3-半导体基础器件的基本原理中已有介绍，在此我们主要介绍一下其基本的分类。二极管按照材料可分为锗二极管、硅二极管和砷化镓二极管；按管芯工艺可分为面接触二极管和点接触二极管；按结构可分为半导体结型二极管和金属半导体接触二极管；按封装形式可分为常规封装二极管和特殊封装二极管；在这里我们将采用按用途划分的方式对二极管做一个简单介绍，包括：

普通二极管，即普通硅二极管，是二极管中最常见的类型，其耐压可以做得较高，但是它的恢复速度低，只能用在低频的整流上，如果是用在高频场景就会因为无法快速恢复而发生反向漏电，最后导致管子严重发热烧毁。

FRD，FastRecoveryDiode，快恢复二极管，是一种开关特性好、反向恢复时间短的二极管。这里的反向恢复指的是普通二极管电流由于电荷存储效应，当正向偏压变成反向时，不会马上截止，而是先反向上升一段时间ts，再经过tf下降时间至接近0，trr=ts+tf是二极管的反向恢复时间，见IGBT不得不知道之——FRD，FRD的快恢复指的就是trr比较小。FRD主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电路中，作为高频整流、续流二极管或阻尼二极管使用。

TVS，TransientVoltageSuppressor，瞬态电压抑制二极管，是在稳压二极管工艺上发展起来的器件。TVS是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应时间（亚纳秒级）和相当高的浪涌吸收能力。当其两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度（最高达1*10^-12秒）使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。

稳压二极管又名齐纳二极管（ZenerDiode），是利用硅二极管反向击穿特性来稳定直流电压的，即在反向击穿时，通过它的电流尽管在很大范围内改变，但其两端的电压几乎不变。稳压二极管的正向特性与普通二极管相同，而反向特性却比较特殊：当反向电压加到一定程度时，虽然管子呈现击穿状态，通过较大电流，却不损毁，并且这种现象的重复性很好。它是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件，在临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定。稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。它也可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更高的稳定电压。

SBD，SchottkyBarrierDiode，肖特基二极管，是以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属－半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。SBD具有开关频率高和正向压降低等优点，但其反向击穿电压比较低，大多不高于60V，最高仅约V，以致于限制了其应用范围。

注释：TVS、稳压二极管和SBD的区别，简单的说，TVS管用户保护电路瞬间的大电压，电路可以通过TVS泄放很大的电流从而保护电路，相当于电路的保险丝，一般工作时不会频发的触发到反向击穿状态。稳压二极管正常工作时总是工作在反向击穿状态，利用反向击穿状态的特性，在电流变化较大时，稳定电压。肖特基二极管主要用作于续流二极管（通常与储能器件配合使用，泄放储能器件的能量）、整流二极管等。见TVS管、稳压管、肖特基二极管。

双向触发二极管，是一种硅双向电压触发开关器件，当双向触发二极管两端施加的电压超过其击穿电压时，两端即导通，导通将持续到电流中断或降到器件的最小保持电流后才会再次关断。

敏感类二极管，包括光敏二极管、温敏二极管、磁敏二极管、压敏二极管等。光敏二极管又叫光电二极管（photodiode）是一种能够将光转换成电流或者电压信号的光探测器。管芯常使用一个具有光敏特征的PN结，对光的变化非常敏感，具有单向导电性，而且光强不同的时候会改变电学特性，因此，可以利用光照强弱来改变电路中的电流。其他敏感类二极管的原理类似。在此我们需要补充一点，光敏二极管、以及后面所要介绍的光控晶闸管、光敏三极管、LED，与光敏电阻等一起统称为光电器件，光电器件是分立器件的一大分支，然而世界半导体贸易协会（WSTS）将其单列为光电子器件分类，在本篇文章为保持完整性，对光敏器件作原理性介绍，但实际上在市场规模等要素的划分及行业研究时，我们仍将其作为光电子器件单列为一类。

其他，如LED等，未来如果我们对LED行业进行研究时再详细讨论。

半可控型，主要是晶闸管及其派生器件。晶闸管也叫可控硅，它由四层半导体叠压而成，分别为P–N–P–N，形成三个PN结，共有三个电极，分别为阳极(a)、阴极(k)和门极(g)。因为它可以像闸门一样控制电流，所以称之为“晶体闸流管”。晶体闸流管是最常用的功率型半导体控制器件之一，具有广泛的用途。我们以单向晶闸管为例简单介绍其工作原理。

如上图所示可将晶闸管等效看成由PNP和NPN两个三极管连接而成，一个三极管的基极和另外一个三极管的集电极相连，阳极（A）相当于PNP的发射极，阴极（K）相当于NPN的发射极。在阳极A和阴极K之间加正向电压（组成主电路），同时在控制极G和阴极K也加正向电压时（组成控制电路），则可以导通晶闸管。晶闸管的控制极的作用只是使晶闸管导通，而导通后，控制极就失去了作用，所以控制极G也称为门极。也有“一触即发”的特点。

晶体闸流管种类和规格很多，适用于各种不同的场合。按引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管；按封装形式可分为金属封装、塑封和陶瓷封装晶闸管三种类型；按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种；按关断速度可分为普通晶闸管和快速晶闸管。接下来我们将根据另一种分类方式，即按控制特性的不同对晶闸管做一个简单的介绍：

单向晶闸管，SCR，Silicon-ControledRectifier，是指触发后只允许一个方向的电流流过的半导体器件，相当于一个可控的整流二极管。上面我们已经讲过它的结构和原理，SCR被广泛应用于可控整流、交流调压、逆变器和开关电源电路中。

双向晶闸管，TRIAC，TRIodeACswitch，是SCR的衍生器件，是由N-P-N-P-N五层组成，对外也引出三个电极。双向晶闸管相当于两个单向晶闸管的反向并联，但只有一个控制极。双向晶闸管与单向晶闸管一样，也具有触发控制特性，但其触发控制特性与单向晶闸管有很大不同，这就是无论在阳极和阴极间接入何种极性的电压，只要在它的控制极上加上一个触发脉冲，也不管这个脉冲是什么极性的，都可以使双向晶闸管导通。尽管从形式上可将双向晶闸管看成两只普通晶闸管的组合，但实际上它是由7只晶体管和多只电阻构成的功率集成器件。

逆导晶闸管，RTC，Reverse-ConductingThyristor，即反向导通晶闸管，是一种将普通晶闸管与一个反并联二极管集成同一个管芯上的电力半导体器件。其特点是在晶闸管的阳极与阴极之间反向并联一只二极管，由下图可见，逆导晶闸管的伏安特性具有不对称性，正向特性与普通晶闸管SCR相同，而反向特性与硅整流管的正向特性相同。

光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号来代替电信号对器件进行触发。光控晶闸管的伏安特性和普通晶闸管一样，只是随着光照信号变强其正向转折电压逐渐变低。通常晶闸管有3个电极，控制极G、阳极A和阴极K。由于光控晶闸管的控制信号来自光的照射，没有必要再引出控制极，所以，只有两个电极（阳极A和阴极K）。但其结构与普通晶闸管一样，是由4层PNP型器件构成的。

其他类型晶闸管，包括温控晶闸管等。

全控型器件，主要包括晶闸管中的GTO，以及晶体管。晶体管是占比最大的功率器件，又可细分为BJT、JFET、MOSFET和IGBT等。BJT、JFET和MOSFET的结构和工作原理我们同样在本系列第三篇文章《半导体系列3-半导体基础器件的基本原理》中有所介绍，想了解的话可以往回翻一翻这篇文章，在此我们不再赘述，只在这里介绍一下GTO和IGBT。

GTO，GateTurm-offThyristor，门极可关断晶闸管。GTO的结构及等效电路与普通晶闸管相同，不同点在于GTO是一种多元的功率集成器件，它的内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元。为了实现门极控制关断，这些小GTO单元的阴极和门极被特别设计成在器件内部并联。这使得GTO与普通晶闸管有了区别，普通晶闸管受门极正信号触发后，撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断,必须切断电源，使正向电流低于维持电流或施以反向电压强行关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积、重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。GTO则克服了其上述缺陷，既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，又具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域。

IGBT，InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT双极型三极管和MOSFET组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,如下图，左侧是MOSFET的结构图（相比于我们在《半导体系列3-半导体基础器件的基本原理》中介绍的MOSFET的结构在底部增加了n-和n+两层，漏极也移到了最下方，这是为了增加MOSFET的抗击穿能力），右侧是IGBT的结构图。可以看到IGBT的结构实际上可以简单看成MOSFET和BJT的堆叠串联，这么做的好处是使得IGBT兼有MOSFET的高输入阻抗和电力晶体管（GiantTransistor，GTR）的低导通压降（可简单理解因为增加了n+/p+层进而增加了载流子浓度）两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。因此IGBT一般用在高压功率产品上，电压范围一般V-V，如变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域；MOSFET应用电压则相对较低，从十几伏到0V。

所谓有得必有失，IGBT通过复合的结构获得了驱动功率小而饱和压降低的优点，但由于结构相对复杂，这也使得的延迟时间要大于MOSFET，因此IGBT应用在切换频率低于25kHz的场景，而MOSFET可以应用于切换频率大于kHz的场景。

至此，我们已经对分立器件的图景有了一个基本的了解。分立器件有如此多的种类，他们在应用中也是互相配合、补充，就像世界杯上的球员一样，分别扮演着“前锋”、“中锋”、“后卫”、“守门员”的角色，各司其职组成了一支战斗力强大的球队，覆盖了不同的电压和频率区间。下图就展示了分立器件这支球队的强大：

近年来新能源汽车的快速发展催生出大量对功率器件的需求。新能源汽车相比于传统燃油车新增了三电系统（电池、电机、电控），进而新增了大量电能转换需求，而这正是功率器件的主战场。据统计电动车中的功率器件尤其是MOSFET与IGBT在驱动控制系统与充电逆变系统中应用广泛，功率器件价值占到电动汽车半导体价值的50%以上。尽管发展较快，但功率器件相比集成电路来说壁垒较低一些，因此竞争格局也相对分散一些。

下图展示了功率器件的全球竞争格局，国际大厂整体位于前列，市场份额排名前五的厂商为英飞凌、安森美、意法半导体、三菱与东芝，CR5为43.1%。

从功率器件的两大细分领域MOSFET和IGBT的情况看，以下两张图展示了这两个细分领域的全球竞争格局。由于MOSFET的技术难度相对二极管较高，因此竞争格局也相对更集中，CR5达到58.4%。国内厂商华润微、闻泰科技、士兰微均在全球前十大MOSFET厂商之中，三者总计占有9.9%的市场份额。IGBT被称为电力电子行业的CPU，其设计难度大于MOSFET与二极管，行业竞争格局最为集中，以IGBT模组为口径计算，行业CR5达到66.7%，国内IGBT龙头为斯达半导，约占2.8%的市场份额。