半导体投资机会深度分析

半导体投资机会深度分析
半导体投资机会深度分析

半导体投资机会深度分析

一、新科技起点,不可缺芯,中国创“芯”,时代最强音。

半导体位于电子行业中游。通过集成电路、分立器件、被动器件在PCB 上组合形成模组,构成了手机、电脑、工业、航空航天、军事装备等电子产品的核心。这些产品又直接影响到国家的发展、社会的进步以及个人的生活,完全改变了没有半导体时候的结构与数据流动形式。所以我们说半导体产业是支撑经济社会发展和保障国家安全的基础性和战略性产业。没有集成电路产业的支撑,信息社会就失去了根基,集成电路因此被喻为现代工业的“粮食”。

回顾过去的大科技趋势,我们已经经历了2000 年开始的数字时代以及从2010 年开始的互联时代,并开始逐步进入数据时代。对于数据,全球知名咨询公司麦肯锡表示:“数据,已经渗透到当今每一个行业和业务职能领域,成为重要的生产因素。人们对于海量数据的挖掘和运用,预示着新一波生产率增长和消费者盈余浪潮的到来。” 大数据在物理学、生物学、环境生态学等领域以及军事、金融、通讯等行业存在已有时日,却因为近年来互联网和信息行业的发展而引起人们关注。

在这个时代,科技的进步与发展潜移默化的改变了我们的生活习惯和思维方式。在这个时代,越来越多的科技从实验室走出来,走向大众。那科技的的基础是什么?科技的基础是硬件设备,而当代硬件设备的基础便是半导体。近年在以物联网、可穿戴设备、云计算、大数据、新能源、医疗电子和安防电子等为主的新兴应用领域强劲需求的带动下,全球半导体产业恢复增长。半导体行业发展历程遵循一个螺旋式上升的过程,放缓或回落后又会重新经历一次更强劲的复苏。根据WSTS 统计,从2013 年到2018 年,全球半导体市场规模从3056 亿美元迅速提升至4688 亿美元,年均复合增长率达到8.93%。2019 年全球半导体市场规模受存储器价格滑坡同比下降12.8%到4089.88 亿美元。

随着技术的进步,对硬件的要求也越来越高,对芯片的需求也越来越强烈,比如5G 基站建设、5G 周边应用落地、IoT、汽车电子、AI 等等。

由于半导体的应用市场在各类终端智能化、互联化的过程中不断拓展,使得半导体产业与经济总量增速的相关度日益紧密,增长的稳健性加强、期性波动趋弱。知名半导体市调机构ICInsights 发布报告称,预计2018 年-2023

年全球的GDP 增长和半导体市场增长的相关性系数将从2010-2018 年的0.87 上升到0.88,而2000 年-2009 年该相关系数仅为0.63。

我从几个细分领域来简述全球半导体市场未来将会保持繁荣。这都可说明未来科技需要更大程度上的硬件集成度、更高程度的半导体元器件电子化需求。

1.汽车日益电子化

汽车是未来半导体行业最强劲的增长来源之一。传统汽车的芯片基本用于发动机控制、电池管理、娱乐控制、安全气囊控制、转向辅助等局部功能,而且多数功能都是互不交互的。未来汽车主流发展趋势是智能化和互联化,要满足这个发展趋势就需要大大提高汽车的电子化程度,大部分的技术创新都与半导体紧密相连,这意味对汽车半导体的需求将大幅提高。

根据GAD 全球汽车数据库进行统计,2018 年全球汽车销售达9560 万辆,而iHS 公布汽车半导体行业市场规模410 亿美元,平均单车价值量约为430 美元。

根据Infineon 公布数据,新能源汽车的半导体单车价值量超过700 美元,接近传统燃油汽车的 2 倍。而未来高等级L4 以上的半导体单车价值量将会超过1000 美元。汽车半导体受益于未来汽车销量的缓步回暖、新能源汽车占总销量比例提高、汽车电子化程度提高。国内闻泰科技旗下安世半导体有40%以上的销售额是由汽车领域贡献的。

2.5G 带动相关设备需求

5G 并非4G 后时代的简单升级,而是移动通信技术的重大变革,走向数据时代的通道。5G 性能比目前4G 网络将大幅提升。凭借无处不在的高速高带宽连接、超大的数据设备规模容纳度、低延时通讯的可靠性,5G 毫无疑问将引领新一轮颠覆性创新浪潮。目前封测厂有大量5G 基站和相关的半导体产品在手订单。

华为表示“与2G 萌生数据、3G 催生数据、4G 发展数据不同,5G 是跨时代的技术。5G 除了更极致的体验和更大的容量,它还将开启物联网时代,并渗透进至各个行业。它将和大数据、云计算、人工智能等一道迎来信息通讯时代的黄金10 年。”为更好了解新网络能力所能带来的商业机会,我们简单选取了 3 个应用场景进行分析,希望借此帮助行业了解无线进展,积极拥抱数字化、无线化的大趋势。而这一切需要坚实的硬件基础,先是宏基站和微基站的建设,然后是终端设备,对半导体通讯FPGA,射频PA、LNA、SW,5G 基带芯片、高速DSP 等等都有巨大的需求。目前一致认为,5G 手机对射频前端的需求将从18 美元提高到25 美元以上。

下面是我选取5G 时代两个潜在爆发性应用场景。

(1)VR/AR

VR/AR 需要大量的数据传输、存储和计算功能,这些数据和计算密集型任务如果转移到云端,就能利用云端服务器的数据存储和高速计算能力。ABI Research 估计,到2025 年AR 和VR 市场总额将达到2920 亿美元(AR 为1,510 亿美元,VR 为1,410 亿美元)。移动运营商在VR/AR 中的可参与空间十分可观,到2025 年将超过930 亿美元,约占VR/AR 总市场规模的30%。5G 能极大提高VR/AR 的带宽,能够在线观看4K 甚至8K 的全景视频,同时低延时特性能直接解决现阶段VR/AR 产品成像延迟导致的晕眩感。而且现阶段的技术使得硬件高度集成化、轻型化,可以满足设备高算力和轻便的双重需求。

(2)互联网医疗

人口老龄化加速在欧洲和亚洲已经呈现出明显的趋势。从2000 到2030 年的30 年中,全球超过55 岁的人口占比将从12%增长到20%。穆迪分析指出,一些国家如英国,日本,德国,意大利,美国和法国等将会成为“超级老龄化”国家,这些国家超过65 岁的人口占比将会超过20%,更先进的医疗水平成为老龄化社会的重要保障。反观我国,人口结构也逐渐老龄化,但疆土广阔医疗资源分布及其不均匀,未来无线医疗对我国将会愈发重要。在过去5 年,移动互联网在医疗设备中的使用正在增加。医疗行业开始采用可穿戴或便携设备集成远程诊断、远程手术和远程医疗监控等解决方案。

其它应用场景包括医疗机器人和医疗认知计算,这些应用对连接提出了不间断保障的要求(如生物遥测,基于VR 的医疗培训,救护车无人机,生物信息的实时数据传输等)。移动运营商可以积极与医疗行业伙伴合作,创建一个有利的生态系统,提供IoMT(Internet of Medical Things)连接和相关服务,如数据分析和云服务等,从而支持各种功能和服务的部署。远程诊断是一类特别的应用,尤其依赖5G 网络的低延迟和高QoS 保障特性。

智慧医疗市场的投资预计将在2025 年将超过2,300 亿美元。5G 将为智慧医疗提供所需的连接。ABI Research 发现,医疗领域42%的受访者已经制定了部署5G 的计划,并确信5G 将作为先进医疗解决方案的使能因素。3.HPC 与AI 对算力与周边输入设备的需求

目前人工智能的三要素:数据、算力和算法,这三要素缺一不可。人工智能(AI)技术近年来的发展不仅仰仗于大数据,更是计算机芯片算力不断增强的结果。

以下图的谷歌AI 训练板为例,除了4 个散热罩下的TPU 核心算力芯片,还有各种配套芯片,比如数据缓冲芯片、电源管理芯片、数据接口芯片等。再到外部数据输入,比如自动驾驶视频方案需要多CMOS 支持、或者多雷达芯片、或者远程医疗需要的医疗用芯片等等。

此外由于目前通用计算芯片架构的限制,很多创业公司都在开发AI专用的芯片,一些企业声称他们将在接下来一两年大幅提高芯片的算力。这样一来,人们就可以仅仅通过重新配置硬件,以更少的经济成本得到强大的算力。目前AI 已经在安防、智慧城市等方向应用落地,而AI 拥有更广阔的市场空间,比如军事领域、自动驾驶、机器人等等。据Gartner 统计,AI 芯片在2017 年的市场规模约为46 亿美元,而到2020 年,预计将会达到148 亿美元,年均复合增长率为47%。

而HPC(高速运算)是发展AI、虚拟/增强(VR/AR)现实、大规模数据中心、边缘计算布置等先进科技应用关键核心技术。HPC 类芯片在不同应用场景下需要不同额外周边芯片配合才能达到更高的效能,比如高速接口传输芯片、网络加速/智能网卡芯片、高速存储器等等。

二、半导体迎接科技趋势,国内三重因素推动

2.1 科技创新下全球半导体有望走出疫情阴霾

突如其来的疫情对全球经济产生了较为严重的影响。这也对半导体行业造成了一定的负面打击,例如代工厂员工感染导致部分区域停工、全球货运受限导致部分物料紧张等等。但半导体行业自身特性对疫情造成的隔离有一定抵抗力,如晶圆厂自动化程度高、设计部门长期使用远程终端进行研发等因素。尽管有疫情影响,但全球半导体领先型指标说明半导体正在科技创新周期下逐渐走出阴霾。

(1)北美半导体设备出货额维持高位。

据国际半导体产业协会(SEMI)统计数据,北美半导体设备12 月出货金额达24.91 亿美元,创15 个月以来新高。供应链认为,在现今存储芯片投资回温的带动下,预期2020 年设备出货金额将优于预期。另一研调机构IC Insights 先前预估,全球前5 大厂英特尔、三星、台积电、SK海力士及美光资本支出将占据半导体市场资本支出总额68%,再写新高纪录,大厂统一看好5G、人工智能等带来的庞大商机。目前2020 年前3 个月出货额分别为23.40 亿美元、23.74 亿美元、23.13 亿美元,相较于2019 年12 月高点并无明显滑坡。

(2)台积电Q1 数据仍维持高水平,净利润再创新高。

台积电 4 月16 日公布2020Q1 季度财报,合并营收约3106 亿元新台币,环比增长-2.1%,但年增高达42%;毛利率提高到51.8%,较去年第四季的50.2%有所提升;净利润约1169.9 亿元新台币,环比增长0.8%,年增率高达90.6%,再创单季获利新高;每股盈余为 4.51 元,高于去年第四季的 4.47 元。今年高效能运算(HPC)类芯片与物联网芯片仍旧保持旺盛需求,这说明人工智能、数据中心、物联网等科技创新领域仍旧保持高增速。

从代工厂台积电、三星、台联电、中芯国际等2019Q4 营收和2020Q1 营收看,先进制程深受大客户追捧,各大工厂产能几乎都接近满产状态。

(3)全球硅晶圆出货面积逆势增长

2020年第一季度,全球硅晶圆出货面积增长2.7%,达到29.2 亿平方英寸,2019Q4 为28.44 亿平方英寸。随着疫情发展,反而带动医疗、居家办公、远程教学等半导体需求提高,各大晶圆硅生产厂产能利用率维持高档。环球晶董事长徐秀兰表示,半导体对全球经济是必要的基本存在,一旦疫情稳定控制后,全球产业市场的供需运作将重启正常,半导体产业在人工智能(AI)、物联网(IoT)、5G、内存等新品带动下将迅速回温。

2.2 外部摩擦使终端商正视产业链安全

虽然我国集成电路市场规模增速较快,但主要还是依赖进口。根据中国海关统计数据,2019 年中国集成电路进口金额3040 亿美元,同比下降-2.2%。中国集成电路出口金额1015 亿美元,同比增长20.1%。整体贸易逆差收窄到2025 亿美元,同比下降10.94%,但仍旧约是出口金额的 2 倍。近几年虽然我国集成电路出口金额随着进口金额增长而同步增加,但整体贸易逆差仍旧非常巨大。

我国作为全球最大的半导体市场,对集成电路产品的需求保持高速增长。但西方发达国家先是1949 年形成联盟成立了一个多边出口控制协调委员会,总部设在巴黎,又称“巴黎统筹委员会”,后又于1996 年签订的《瓦森纳协议》,其中特种材料与相关设备、材料加工、电子设备、计算机设备、通讯与信息安全、传感器与激光器、导航与航空电子设备都属于协议清单上的“两用物资”。于是乎对出口到中国的制造装备、材料以及工艺技术进行严格审查并限制至今,意图保持西方国家在经济军事技术上的领导地位与话语权。所以对于我国而言,想要拥有自主知识产权的高技术芯片,就必须发展我国自己的集成电路产业体系。

“中兴事件”和“华为事件”仅是冰山一角,我国每年在集成电路产业的贸易逆差巨大且长期处于被禁运的危险困境,即便是目前发展最快、自给率最高的通信芯片领域,部分芯片和产品依然严重依赖进口,并且国内在集成电路产业没有话语权将导致芯片供应和价格长期受制于西方国家,因此推动国内集成电路产业发展早日实现国产替代自主可控就成了迫在眉睫的事情。这已经成为了我国从上到下的一个长期共识,这个共识保证了我国集成电路产业未来十年来政策扶持倾向与宽松的发展氛围。

虽然目前路透社称,美国商务部即将批准一项新规,允许美国公司与中国的华为公司在设立新一代5G 网络标准上进行合作。如果新规落地,华为产有望再次打开欧美部分市场,各大华为供应商也将受益。

但我认为摩擦即使缓解,也一直都是存在的。而且解读中美贸易摩擦,我们发现关键领域在于集成电路产品与相关领域。近年来,中美贸易战的话题从没停歇,从起始到过程可以发现,美国期望通过遏制中国制造来维持全球领先地位,其中关键环节便是控制被称为工业粮食的集成电路产业,毕竟美国曾经通过同样的方式遏制住了日本的发展。

当前我们看到了大基于产业链安全或者自身生态安全考虑,越来越多的公司开始投入半导体的研发中或者大力扶持国产供应商,比如阿里巴巴的平头哥、格力集团的IGBT、百度的AI 芯片“昆仑”等。

2.3 国内多方政策加码引导产业发展

根据集成电路研发的固有规律,一颗芯片从设计、测试到量产至少要一年以上,高可靠性的工业级、军用级和航空航天级芯片需要时间更长。在2014 年,我国已经有了百度、阿里、腾讯等互联网巨头可以与国外互联网巨头亚

马逊、谷歌等坐在一张圆桌上商谈,但在半导体这一块却缺少能与高通、德州仪器、英特尔、三星叫板的企业。这是因为半导体产业迭代周期长、试错成本高。互联网企业做一个产品,一天甚至能迭代几十上百个版本,即便存在Bug 也可以后期修复。而半导体企业做一个产品,不算顶层架构设计验证,从电路设计到投片,最少要半年时间。投片GDS 送到代工厂加工生产,一般情况要 2 个月到 3 个月。最重要的是单次投片的费用最少也要数十万元,而先进工艺高达一千万到几千万。极高的试错和时间成本使得大家都期望一次成功,这样就不需要拉长流程,反复验证。这都需要多个工种密切配合,团队中一个人出错, 3 个月后回来的产品可能就完全失败。如果修改一轮,至少又三个月出去了。更致命的是这时候出来的芯片可能已经落后竞争对手,导致前期努力全部化为乌有。国内比较为人所知的案例就是小米澎湃S1 处理器,4 年期间内多次流片失败,已经投入大量的经费。但这也是澎湃S2 处理器成功的基础。半导体的其他领域,比如设备也需要大量的时间成本,以及试错成本。

这一切造成了光凭市场自我调节,我国半导体产业的发展将远远落后于国外,甚至存在差距拉大的危险,整个产业需要政府介入进行精准扶持。且“棱镜门”事件的爆发,使得信息安全形势愈发严峻,国家信息安全战略上升到了一个前所未有的高度。而高通、英特尔等芯片巨头公司对政府、高校、航空航天、军事等多方面系统的高渗透率得到关注,2014 年集成电路国产化率仅为个位数,相比于国外全线落后。

自2014 年以来,政府大力推动整体产业发展,先后颁布了《国家集成电路产业发展推进纲要》、《集成电路产业“十三五”发展规划》等政策。这些政策表现出国家极大的决心去加快集成电路产业的发展,旨在充分发挥国内市场优势,营造良好发展环境,激发企业活力和创造力,努力实现集成电路产业跨越式发展,同时也随着行业与世界格局的变化做出适应性的调整。同时各级地方政府也针对实际情况制定了相应的集成电路相关发展政策。

大基金一期共募得1387.2 亿,相比于原先计划的1200 亿元超募了15.6%。大基金公开投资公司为23 家,累计有效投资项目达到70 个左右,投资范围涵盖集成电路产业各个方面。此外国内各大省市也相继成立集成电路产业投资基金,目前包括北京、上海、广东等在内的十几个省已成立专门扶植半导体产业发展的地方政府性基金。而一期的在集成电路产业细分行业中投资中集成电路制造类占67%,设计类占17%,封测类占10%,装备材料类占6%。基本可以看出一期重点照顾集成电路制造类公司,比如中芯国际、长江存储、华虹宏力等俗称晶圆制造的公司,该类型企业属于重资产公司,需要大量资金购买支持先进工艺制程的设备,从光刻机、刻蚀机到清洗设备等,另外还需要投入资金和时间人力去研发先进工艺。比重第二大的是设计类,设计相对于制造资产比重较低,更需要资金投入芯片器件的研发,还有就是招募优秀人才,引进先进技术,甚至并购国内外同行。第三大的是封测公司,封测也是属于重资产公司,但整体盈利水平不及制造设计和设备材料,需要资金扩大规模,形成规模化效应,方能有效降低成本,与国内外同行竞争。但在先进工艺制程研发愈发放缓的今天,封测格外需要注重先进封测技术的研发,这也是未来的趋势。

目前大基金二期接力一期,注册资本达到2041.5 亿元。在投资方向上,我认为二期将提高对设计业的投资比例,这一比例在一期中仅占17%,并将围绕国家战略和新兴行业进行投资规划,比如智能汽车、智能电网、人工智能、物联网、5G 等,并尽量对装备材料业给予支持,推动其加快发展。关于中国半导体产业的跨国并购遇阻,大基金仍旧会关注国内产业并购,联合产业布局优势,保持开放途径与国际进行合作。晶圆代工方面,中芯国际和华虹集团已经进入全球晶圆代工营收前十。随着国内各地如长江存储、合肥长鑫、粤芯半导体等数十条12 寸到 6 寸生产线落地。下一步是推动先进工艺的研发,在这方面大基金和政府基金仍旧保持投入。

国内芯片制造龙头中芯国际(00981.HK)将于科创板上市,国家大基金二期注资超100亿

5月5日,中芯国际公告拟发行不超过16.86亿股人民币股份,并将于科创板上市。募集资金扣除发行费用后,拟约40%用于投资于“12寸芯片SN1项目”(包含14nm及N+1制程的研发及生产)。追加资本开支与募投计划将持续促进公司先进制程突破,缩小与台积电、三星差距。

中芯国际位于半导体产业链中游,是半导体产业链国产替代排头兵,是我国本土的晶圆代工龙头和旗帜。中芯国际披露的2020年一季报显示,一季度实现营收64.11亿元,环比增长8.77%,同比增长42.34%,创季度营收历史新高;实现归母净利润4.55亿元,同比增长422.8%。

5月15日晚,中芯国际发布公告,国家大基金二期与上海集成电路基金二期同意分别向附属公司中芯南方注资15亿美元、7.5亿美元。按照当下汇率计算,注资分别折合人民币106亿元、53亿元。作为内地技术最先进、配套最完善、规模最大的芯片制造公司,中芯国际已获得了国家大基金一期的重点支持。如今再拿二期投资,其在我国芯片产业中的重要性不言而喻。

2.4 三重因素下国产替代快速推进

在一系列国家政策、终端厂商的支持下,可以看出我国集成电路产业自2014 年后进入加速发展的阶段。根据中国半导体行业协会数据计算,在大基金成立后,2014 到2019 年集成电路销售额复合增速已达到21.31%。尤其是

在2019 年全球半导体市场销售额4121 亿美元,同比下降了12.1%的不利情况下。中国2019 年中国集成电路产业销售额为7562.3 亿元,同比增长15.8%。其中,设计业销售额为3063.5 亿元,同比增长21.6%;制造业销售额为2149.1 亿元,同比增长18.2%;封装测试业销售额2349.7 亿元,同比增长7.1%。这说明中国内部市场需求仍旧旺盛,国产替代进程顺利。

再看进出口数据2019 年中国进口集成电路金额3055.5 亿美元,同比下降 2.1%,出口金额1015.8 亿美元,同比增长20%。可见国内厂商在多年沉淀下,产品在国际市场上获得大量订单。

通过这些年的发展与积累我国半导体公司在技术上取得重大突破,已经可以在一定程度上满足终端企业的需求。在集成电路封测方面,国内封测巨头长电科技再加上通富微电、华天科技、晶方科技已经同步了国际封测巨头日月光、安靠的主流技术,市场占有率也达到了全球封测规模的20%,基本实现国产替代。国内封测企业的客户从国内扩展到国外,从低端扩展到高端。但先进封测技术与国外仍旧存在一定差距。

晶圆代工方面,中芯国际和华虹集团已经进入全球晶圆代工营收前十。随着国内各地如长江存储、合肥长鑫、粤芯半导体等数十条12 寸到 6 寸生产线落地,国内在晶圆代工厂建设基本达到饱和程度。下一步是推动先进工艺的研发。

设计方面,部分龙头企业在高端芯片研发上与全球先进水平的差距在不断缩小。比如华为海思麒麟980 芯片使用台积电7nm 工艺,已经量产并在多款华为高端机型上装配;5G 基带芯片方面,海思巴龙5000 和紫光展锐春藤510 都表现出不俗的实力。但芯片种类纷繁复杂,再加上分立器件,我国仍旧落后于国际一流厂商。

材料和设备方面,我国半导体设备的现状用一句话概括就是国产替代能满足低端设备的供应,高端制程有待突破,整体设备自给率低、需求缺口大。日美德在全球半导体材料供应上占主导地位,但大陆厂商在材料多个细分领域已经比肩国际水平。

综上所述我国半导体产业得到了高速发展,差距持续缩小,部分领域甚至达到全球一流水平。而且参照《中国制造2025》与其他数据,2018 年中国半导体市场需求为3100 亿美元,中国自身只能提供380 亿美元的产品,综合国产化率12%,目标是2025 年国产化率能达到50%。根据国外机构预测2015 年中国半导体市场需求约为7000 亿美元,按照50%折算中国需要自产3500 亿美元的产品,相比于2018 年替代空间几乎达到了10 倍。

尤其是2019 年以后,国产替代进程在科技周期、国内政策、外部摩擦三重因素下快速推动。以国内设计行业为例,2019 年全设计行业销售为3063.5 亿元,第一次跨过3000 亿元人民币关口,比2018 年的2577.0 亿元增长19.6%,预计在全球集成电路产品销售收入中的占比将第一次超过10%。且根据多个龙头公司发布的高增长2019 年报和2020Q1 季报,国产替代进程正在稳步前进,且2020 科技对半导体有更旺盛的需求。

对比国外半导体同行,我发现在全球经济环境并不乐观,仅有科技周期带动的情况下,全球半导体头部厂商的增长率几乎为个位数甚至负增长。两相比较可以明显看出国内半导体公司国产替代进程正在保持高增速进行。

国内半导体行业在全球半导体行业负增长情况下保持高增长、再到国内外公司增速的剪刀差,国产替代进程在科技周期、国内政策、外部摩擦三重因素下快速推动。而且国产替代空间仍旧巨大,半导体行业未来将会保持较高增速成长。

三、投资建议:

重点关注两大方向:

一是业绩持续高增长的细分领域优质龙头;

二是国家大基金投资的芯片企业;

我精选出了8只业绩优秀的芯片领域优质龙头股,其中紫光国微和卓胜微两只在4月中旬已经重点推荐,都有了比较可观的涨幅,中长期仍可继续关注;

1.中芯国际(00981.HK):

国内芯片制造龙头

中芯国际位于半导体产业链中游,是半导体产业链国产替代排头兵,是我国本土的晶圆代工龙头和旗帜。2019年公司实现归母净利润16.37亿元,同比增长77.94%;2020年一季度实现营收64.11亿元,环比增长8.77%,同比增长42.34%,创季度营收历史新高;实现归母净利润4.55亿元,同比增长422.8%。

5月5日,中芯国际公告拟发行不超过16.86亿股人民币股份,并将于科创板上市。募集资金扣除发行费用后,拟约40%用于投资于“12寸芯片SN1项目”(包含14nm及N+1制程的研发及生产)。追加资本开支与募投计划将持续促进公司先进制程突破,缩小与台积电、三星差距。

5月15日晚,中芯国际发布公告,国家大基金二期与上海集成电路基金二期同意分别向附属公司中芯南方注资15亿美元、7.5亿美元。按照当下汇率计算,注资分别折合人民币106亿元、53亿元。作为内地技术最先进、配套最完善、规模最大的芯片制造公司,中芯国际已获得了国家大基金一期的重点支持。如今再拿二期投资,其在我国芯片产业中的重要性不言而喻。

2.韦尔股份(603501):CMOS图像传感器芯片龙头

3.闻泰科技(600745):国内ODM芯片龙头;

4.中微公司(688012):半导体设备(刻蚀设备)龙头

5.兆易创新(603986):国内存储芯片龙头

6.卓胜微(300782):国内射频前端芯片龙头

7.圣邦股份(30061):国内模拟芯片龙头

8.紫光国微(002094):国内智能安全芯片龙头

价值护城河

功率半导体器件在我国的发展现状

功率半导体器件在我国的发展现状 MOSFET是由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。它的导通跟阻断都由电压控制,电流可以双向流过,其优点是开关速度很高,通常在几十纳秒到几百纳秒,开关损耗小,适用于各类开关电源。但它也有缺点,那就是在高压环境下压降很高,随着电压的上升,电阻变大,传导损耗很高。 随着电子电力领域的发展,IGBT出现了。它是由BJT和MOS组成的复合式半导体,兼具二者的优点,都是通过电压驱动进行导通的。IGBT克服了MOS的缺点,拥有高输入阻抗和低导通压降的特点。因此,其广泛应用于开关电源、电车、交流电机等领域。 如今,各个行业的发展几乎电子化,对功率半导体器件的需求越来越大,不过现在功率半导体器件主要由欧美国家和地区提供。我国又是全球需求量最大的国家,自给率仅有10%,严重依赖进口。功率半导体器件的生产制造要求特别严格,需要具备完整的晶圆厂、芯片制造厂、封装厂等产业链环节。国内企业的技术跟资金条件暂时还无法满足。 从市场格局来看,全球功率半导体市场中,海外龙头企业占据主导地位。我国功率半导体器件的生产制造还需要付出很大的努力。制造功率半导体器件有着严格的要求,每一道工序都需要精心控制。最后的成品仍需要经过专业仪器的测试才能上市。这也是为半导体器件生产厂家降低生产成本,提高经济效益的体现。没有经过测试的半导体器件一旦哪方面不及格,则需要重新返工制造,将会增加了企业的生产成本。

深圳威宇佳公司是国内知名的功率半导体检测专家,专门生产制造简便易用、高精度的设备,让操作人员轻松上手操作,省力更省心。如生产的IGBT动态参数测试设备、PIM&单管IGBT 专用动态设备、IGBT静态参数测试设备、功率半导体测试平台等,均是经过经验丰富的技术人员精心打磨出来的,设备高可靠性、高效率,已在市场上应用超过10年,历经了超过500万只模块/DBC的测试考验。

CMOS( 互补金属氧化物半导体)

CMOS 标签:CMOS互补金属氧化物半导体CMOS传感器编辑词条 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor),互补金属氧化物半导体,电压控制的一种放大器件。是组成CMOS数字集成电路的基本单元。它的特点是低功耗。 简介 CMOS 指互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺,它的特点是低功耗。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间看,要么PMOS导通,要么NMOS导通,要么都截至,比线性的三极管(BJT)效率要高得多,因此功耗很低。 应用领域 计算机领域 CMOS芯片CMOS常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的芯片。有时人们会把CMOS和BIOS混称,其实CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片,是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。CMOS可由主板的电池供电,即使系统掉电,信息也不会丢失。CMOS RAM本身只是一块存储器,只有数据保存功能。而对BIOS中各项参数的设定要通过专门的程序。BIOS设置程序一般都被厂商整合在芯片中,在开机时通过特定的按键就可进入BIOS设置程序,方便地对系统进行设置。因此BIOS设置有时也被叫做CMOS设置。 早期的CMOS是一块单独的芯片MC146818A(DIP封装),共有64个字节存放系统信息。386以后的微机一般将MC146818A芯片集成到其它的IC芯片中(如82C206,P

QFP封装),586以后主板上更是将CMOS与系统实时时钟和后备电池集成到一块叫做D ALLDA DS1287的芯片中。随着微机的发展、可设置参数的增多,现在的CMOS RAM 一般都有128字节及至256字节的容量。为保持兼容性,各BIOS厂商都将自己的BIOS 中关于CMOS RAM的前64字节内容的设置统一与MC146818A的CMOS RAM格式一致,而在扩展出来的部分加入自己的特殊设置,所以不同厂家的BIOS芯片一般不能互换,即使是能互换的,互换后也要对CMOS信息重新设置以确保系统正常运行。 数码相机领域 CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件(常见的有TTL和CMOS),尤其是片幅规格较大的单反数码相机。虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算工具的用途非常不同,但基本上它仍然是采取CMOS的工艺,只是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能,再透过芯片上的模-数转换器(ADC)将获得的影像讯号转变为数字信号输出。 CCD和CMOS的区别CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是数字数据传送的方式不同。 如图所示,CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中,由最底端部分输出,再经由传感器边缘的放大器进行放大输出;而在CMOS传感器中,每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路,用类似内存电路的方式将数据输出。 造成这种差异的原因在于:CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真,因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理;而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声,因此,必须先放大,再整合各个象素的数据。 由于数据传送方式不同,因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异,这些差异包括: 1. 灵敏度差异:由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路),使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积,因此在象素尺寸相同的情况下,CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。 2. 成本差异:由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中,

功率器件的发展历程

功率器件的发展历程 IGBT、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT…… 2009-12-08 08:49 引言 电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面,其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础,也是电力电子技术发展的“龙头”。从1958年美国通用电气(GE)公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始,电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代,这标志着电力电子技术的诞生。到了70年代,晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时,非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世,广泛应用于各种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点,其研制及应用得到了飞速发展。 由于普通晶闸管不能自关断,属于半控型器件,因而被称作第一代电力电子器件。在实际需要的推动下,随着理论研究和工艺水平的不断提高,电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展,先后出现了GTR、GTO、功率MOSET等自关断、全控型器件,被称为第二代电力电子器件。近年来,电力电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展,如IGPT、MCT、HVIC等就是这种发展的产物。 电力整流管 整流管产生于本世纪40年代,是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三种主要类型。其中普通整流管的特点是: 漏电流小、通态压降较高(1 0~1 8V)、反向恢复时间较长(几十微秒)、可获得很高的电压和电流定额。多用于牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中。较快的反向恢复时间(几百纳秒至几微秒)是快恢复整流管的显著特点,但是它的通态压降却很高(1 6~4 0V)。它主要用于斩波、逆变等电路中充当旁路

功率半导体器件 LDMOS VDMOS

关于功率MOSFET(VDMOS & LDMOS)的报告 ---时间日期:2009.11.12 ---报告完成人:祝靖1.报告概况与思路 报告目的:让研一新同学从广度认识功率器件、了解功率器件的工作原理,起到一个启蒙的作用,重点在“面”,更深层次的知识需要自己完善充实。 报告内容:1)从耐压结构入手,说明耐压原理; 2)从普通MOS结构到功率MOS结构的发展;(功率MOS其实就是普通MOS结构和耐 压结构的结合); 3)纵向功率MOS(VDMOS)的工作原理; 4)横向功率MOS(LDMOS)的工作原理; 5)功率MOSFET中的其它关键内容;(LDMOS和VDMOS共有的,如输出特性曲线)报告方式:口头兼顾板书,点到即止,如遇到问题、疑惑之处或感兴趣的地方,可以随时打断提问。 2.耐压结构(硅半导体材料) 目前在我们的研究学习中涉及到的常见耐压结构主要有两种:①反向PN结②超结结构(包括); 2.1 反向PN结(以突变结为例) 图2.1所示的是普通PN结的耐压原理示意图,当这个PN结工作在一定的反向电压下,在PN结内部就会产生耗尽层,P区一侧失去空穴会剩下固定不动的负电中心,N区一侧会失去电子留下固定不动的正电中心,并且正电中心所带的总电量=负电中心所带的总电量,如图2.1a所示,A区就是所谓耗尽区。 图2.1b所示的是耗尽区中的电场分布情况(需熟悉了解),耗尽区以外的电场强度为零,Em称为峰值电场长度(它的位置在PN,阴影部分的面积就是此时所加在PN P区和N区共同耐压。图2.2所示的是P+N结的情况,耐压原理和图1中的相同,但是在这种情况中我们常说N负区是耐压区域(常说的漂移区) (a) (b) 图2.1 普通PN结耐压示意图(N浓度=P浓度)图2.2 P+N结耐压示意图(N浓度<

功率半导体器件是什么

“power semiconductor device”和“power integrated circuit(简写为power IC或PIC)”直译就是功率半导体器件和功率集成电路。 在国际上与该技术领域对应的最权威的学术会议就叫做International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs,即功率半导体器件和功率集成电路国际会议。 “power”这个词可译为动力、能源、功率等,而在中文里这些词的含义不是完全相同的。由于行业的动态发展,“power”的翻译发生了变化。 从上世纪六七十年代至八十年代初,功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的栅关断晶闸管(GTO)等。它们的主要用途是用于高压输电,以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等,这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。因此,当时我国把这些器件的总称———power semiconductor devices没有直译为功率半导体器件,而是译为电力电子器件,并将应用这些器件的电路技术power electronics没有译为功率电子学,而是译为电力电子技术。与此同时,与这些器件相应的技术学会为中国电工技术学会所属的电力电子分会,而中国电子学会并没有与之相应的分学会;其制造和应用的行业归口也划归到原第一机械工业部和其后的机械部,这些都是顺理成章的。实际上从直译看,国外并无与电力电子相对应的专业名词,即使日本的“电力”与中文的“电力”也是字型相同而含义有别。此外,当时用普通晶体管集成的小型电源电路———功率集成电路,并不归属于电力电子行业,而是和其他集成电路一起归口到原第四机械工业部和后来的电子工业部。 20世纪80年代以后,功率半导体行业发生了翻天覆地的变化。功率半导体器件变为以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET,常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(power IC,常简写为PIC)为主。 这一转变的主要原因是,这些器件或集成电路能在比以前高10倍以上的频率下工作,而电路在高频工作时能更节能、节材,能大幅减少设备体积和重量。尤其是集成度很高的单片片上功率系统(power system on a chip,简写PSOC),它能把传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个硅芯片上,使其具有按照负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况自我进行保护的智能功能,其优越性不言而喻。国际专家把它的发展喻为第二次电子学革命。

2015年功率半导体器件行业简析

2015年功率半导体器件行业简析 一、行业的定义与分类 (2) 二、行业的发展历史和现状 (3) 三、行业规模 (4) 四、行业的周期性 (6) 五、进入本行业的壁垒 (6) 1、技术壁垒 (6) 2、客户服务壁垒 (7) 六、行业风险因素 (7) 1、投入不足 (7) 2、质量意识差 (8) 七、影响行业未来发展趋势的因素 (8) 1、电子元器件微型化 (8) 2、电子元器件集成化 (9) 3、产业政策大力支持 (9)

一、行业的定义与分类 功率半导体器件是进行电能(功率)处理的半导体产品,典型的功率处理功能包括变频、变压、变流、功率放大和功率管理等,是弱电控制与强电运行间的桥梁,其中大部分是既能耐高压也能承受大电流。半导体产业的发展始于分立器件,所谓“分立”,一般是指被封装的半导体器件仅含单一元件(为了产品应用需要,部分分立器件封装实际上包含二个或多个元件或器件),它必须和其它类型的元件相结合,才能提供类似放大或开关等基本电学功能。 从产品结构来分,功率半导体分立器件可分为二极管、三极管、功率晶体管、功率集成电路等几大类产品,其中功率晶体管包括有MOSFET和IGBT等。从功率处理能力来分,功率半导体分立器件可分为四大类,包括低压小功率分立器件(电压低于200V,电流小于200mA)、中功率分立器件(电压低于200V,电流小于5A)、大功率分立器件(电压低于500V,电流小于40A)、高压特大功率分立器件(电压低于2,000V,电流小于40A)。 每个电子产品均离不开功率半导体技术。功率半导体的目的是使电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能50-70%的同时,更环保、更安静、让人更舒适。人们希望便携式电子产品一次充电后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将“粗电”变为“精电”,因此它是

13种常用的功率半导体器件介绍

13种常用的功率半导体器件介绍 电力电子器件(Power Electronic Device),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 (MOS Control led Thyristor):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3 000V,峰值电流达1 000 A,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20 kV/s ,di/dt为2 kA/s; (4)开关速度快,开关损耗小,开通时间约200ns,1 000 V 器件可在2 s 内关断; 2. IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors) 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~ 3 MW,三电平逆变器1~ 6 MW;若反向二极管分离,不与IGCT

SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景

SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景 近年来,Si功率器件结构设计和制造工艺日趋完善,已经接近其材料特性决定的理论极限,依靠Si器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有限。本文首先介绍了SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景,其次阐述了SiC功率器件发展中存在的问题,最后介绍了SiC功率半导体器件的突破。 SiC功率半导体器件技术发展现状1、碳化硅功率二极管 碳化硅功率二极管有三种类型:肖特基二极管(SBD)、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管(JBS)。由于存在肖特基势垒,SBD具有较低的结势垒高度。因此,SBD具有低正向电压的优势。SiC SBD的出现将SBD的应用范围从250 V提高到了1200 V。同时,其高温特性好,从室温到由管壳限定的175℃,反向漏电流几乎没有增加。在3 kV以上的整流器应用领域,SiC PiN和SiC JBS二极管由于比Si整流器具有更高的击穿电压、更快的开关速度以及更小的体积和更轻的重量而备受关注。 2、单极型功率晶体管,碳化硅功率MOSFET器件 硅功率MOSFET器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在300V以下的功率器件领域,是首选的器件。有文献报道已成功研制出阻断电压10 kV 的SiC MOSFET。研究人员认为,碳化硅MOSFET器件在3kV~5 kV领域将占据优势地位。尽管遇到了不少困难,具有较大的电压电流能力的碳化硅MOSFET器件的研发还是取得了显著进展。 另外,有报道介绍,碳化硅MOSFET栅氧层的可靠性已得到明显提高。在350℃条件下有良好的可靠性。这些研究结果表明栅氧层将有希望不再是碳化硅MOSFET的一个显著的问题。 3、碳化硅绝缘栅双极晶体管(SiC BJT、SiC IGBT)和碳化硅晶闸管(SiC Thyristor) 最近报道了阻断电压12kV的碳化硅P型IGBT器件,并具有良好的正向电流能力。碳化硅IGBT器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比。与Si双极型晶体管相比,SiC 双极型晶体管具有低20~50倍的开关损耗以及更低的导通压降。SiC BJT主要分为外延发

半导体功率器件的散热计算

半导体功率器件的散热计算 佛山职业技术学院陈荣光 【摘要】本文通过对半导体功率器件发热及传热机理的讨论,导出了半导体功率器件的散热计算方法。 【关键词】半导体功率器件功耗发热热阻散热器强制冷却 一、半导体功率器件的类型和功耗特点 一般地说,半导体功率器件是指耗散功率在1瓦或以上的半导体器件。 按照半导体功率器件的运用方式,可分为半导体功率放大器件和半导体功率开关器件。 1、半导体功率放大器件 半导体功率放大器又因其放大电路的类型分为甲类放大器、乙类推挽放大器、甲乙类推挽放大器和丙类放大器。甲类放大器的理论效率只有50%,实际运用时则只有30%左右;乙类推挽放大器的理论效率也只有78.5%,实际运用时则只有60%左右;甲乙类推挽放大器和丙类放大器的效率介乎甲类放大器和乙类推挽放大器之间。 也就是说,半导体功率放大器件从电源中取用的功率只有一部分作为有用功率输送到负载上去,其余的功率则消耗在半导体功率放大器件上,半导体功率放大器在工作时消耗在半导体功率放大器件上的功率称为半导体功率放大器件的功耗。 半导体功率放大器件的功耗为其集电极—发射极之间的电压降乘以集电极电流: P D =U ce ·I c (式1—1) 式中P D 为半导体功率放大器件的功耗(单位W)。 U ce 为半导体功率放大器件集电极—发射极之间的电压降(单位V)。 I c 为半导体功率放大器件的集电极电流(单位A)。 线性调整型直流稳压电源中的调整管是工作在放大状态的半导体功率放大器件,所以其功耗的计算和半导体功率放大器件的功耗计算是相似的。例如一个集成三端稳压器,其功耗就是:输入端—输出端电压差乘以输出电流。 2、半导体功率开关器件 半导体功率开关器件例如晶体闸流管、开关三极管等。它们的工作状态只有两个:关断(截止)或导通(饱和)。 理想的开关器件在关断(截止)时,其两端的电压较高,但电流为零,所

功率半导体的发展

功率半导体的发展 摘要:回顾了现代电力电子器件的发展历史,涉及的器件包括晶闸管、GTO、IGCT、MTO、IGBT、各种改进型的IGBT 以及CoolMOS。叙述了采用新型材料的电力电子器件的发展和前景,应用碳化硅和氮化镓材料的功率器件正在迅速地发展,一些器件有望在不远的将来实现商品化,进入电力电子技术市场。 关键词:电力电子器件;碳化硅;氮化镓;发展;展望 Development of Power Semiconductor Device Abstract:The developing history of modern power electronic device is reviewed, which includes thyristor, GTO, IGCT, MTO, IGBT,improved IGBT and CoolMOS. The development and perspective of power electronic device with novel materials are proposed. The powerdevice applying SiC and GaN is in a speedy growing, some of which will realize commercialization in the near future and enter into thetechnology market of power electronics. Key words: power electronic device; SiC; GaN; development; prospective 率半导体器件是进行功率处理的半导体器件,它包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。功率半导体器件技术是电力电子技术的基础与核心,它是微电子技术与电力电子技术的结合。新型电力电子器件的主要代表是场型控功率器件和智能功率集成电路(Smart Power IC-SPIC)。最早的功率器件是由少数载流子(少子)参与输运的电流控制型器件。由于少子存储效应,工作频率一般小于1MHZ,且其输入阻抗低、驱动电流大。而且由于是正电流温度系数,故有二次击穿现象;随着多晶硅和平面工艺的发展,出现多数载流子(多子)参与输运的电压控制型器件,即场控功率器件。它可以分为两大类:主要的一类是MOS型功率器件,如垂直扩散MOS(VDMOS),绝缘栅双极晶体管(IGBT)和MOS控制晶闸管(MCT)等;另一类是静电感应器件,如静电感应晶体管(SIT),双极型静电感应晶体管(BSIT)和静电感应晶闸管(SITH)等。功率集成电路(PIC)是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路。一般将其分为智能功率集成电路(SPIC)和高压集成电路(HVIC)两类。但随着PIC的不断发展,两者在工作电压和器件结构上(垂直或横向)都难以严格区分,已习惯于将它们统称为智能功率集成电路。智能功率集成电路是集成电路的重要分支,是功率SoC(System on Chip)的核心技术,它将信息采集、处理与功率控制合一,是引发第二次电子革命的关键技术[1]。 1、功率半导体器件的简介 20世纪50年代,电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管,因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快,而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期,已逐步取代了汞弧闸流管。80年代,普通晶闸管的开关电流已达数千安,能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上,为适应电力电子技术发展的需要,又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件,以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。 各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端(阴极和阳极)器件,其器件电流由伏安特性决定,除了改变加在二端间的电压外,无法控制其阳极电流,故称不可控器件。普通晶闸管是三端器件,其门极信号能控制元件的导通,但不能控制其关断,称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件,其门极信号既能控制器件的导通,又能控制其关断,称全控型器件。后两类器件控制灵活,电路简单,开关速度快,广泛应用于整流、逆变、斩波电路中,是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。这些器件

功率半导体器件

功率半导体器件 “power semiconductor device”和“power integrated circuit(简写为power IC或PIC)”直译就是功率半导体器件和功率集成电路。 在国际上与该技术领域对应的最权威的学术会议就叫做International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs,即功率半导体器件和功率集成电路国际会议。 “power”这个词可译为动力、能源、功率等,而在中文里这些词的含义不是完全相同的。由于行业的动态发展,“power”的翻译发生了变化。 从上世纪六七十年代至八十年代初,功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的栅关断晶闸管(GTO)等。它们的主要用途是用于高压输电,以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等,这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。因此,当时我国把这些器件的总称———power semiconductor devices没有直译为功率半导体器件,而是译为电力电子器件,并将应用这些器件的电路技术power electronics没有译为功率电子学,而是译为电力电子技术。与此同时,与这些器件相应的技术学会为中国电工技术学会所属的电力电子分会,而中国电子学会并没有与之相应的分学会;其制造和应用的行业归口也划归到原第一机械工业部和其后的机械部,这些都是顺理成章的。实际上从直译看,国外并无与电力电子相对应的专业名词,即使日本的“电力”与中文的“电力”也是字型相同而含义有别。此外,当时用普通晶体管集成的小型电源电路———功率集成电路,并不归属于电力电子行业,而是和其他集成电路一起归口到原第四机械工业部和后来的电子工业部。 20世纪80年代以后,功率半导体行业发生了翻天覆地的变化。功率半导体器件变为以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET,常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(power IC,常简写为PIC)为主。 这一转变的主要原因是,这些器件或集成电路能在比以前高10倍以上的频率下工作,而电路在高频工作时能更节能、节材,能大幅减少设备体积和重量。尤其是集成度很高的单片片上功率系统(power system on a chip,简写PSOC),它能把传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个硅芯片上,使其具有按照负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况自我进行保护的智能功能,其优越性不言而喻。国际专家把它的发展喻为第二次电子学革命。 自从50年代,硅晶闸管问世以后,50多年来,功率半导体器件的研究工作者为达到理想化的目标做出了不懈的努力,并以取得了使世人瞩目的成就。60年代后期,可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能,并使斩波工作频率扩展到 1KHZ以上。70年代中期,大功率晶体管和功率MOSFET问世,功率器件实现

功率半导体的发展进程

功率半导体的发展进程 功率器件本来是属于半导体产业中的分立器件子类别,但随着制造工艺的不断提升,目前有部分产品可以与集成电路复合生产,所以以功率半导体的发展来介绍行业演变。功率半导体的发展可分为以下四个阶段: 第一阶段是以整流管、晶闸管为代表的发展阶段。这一阶段的功率器件在低频、大功率变流领域中的应用占有优势,取代了早先的汞弧整流器。1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管,功率二极管开始应用于电力领域,1956年贝尔实验室又发明了晶闸管,1957年美国通用电气公司开发出世界上第一只晶闸管器件,开创了传统的功率器件应用技术阶段,晶闸管属于半控型器件,即可通过信号控制其导通但无法实现关断的器件,实现了弱电对强电的控制,在工业界引起了一场技术革命。由于晶闸管具有可控的单向导电特性,被首先用于整流电路,因此也被称为可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)。 SCR在体积、重量、动态电气性能和控制性能的优越性,很快就取代了水银整流器和旋转变流机组,且应用范围迅速扩大,晶闸管的迅速发展使得中大功率的各种变流装置和电动机传动系统得到了快速发展。因为属于半控型器件,通过对SCR 门极的控制,SCR仅能导通而不能关断,即该器件这一缺点使

得SCR的应用有着很大局限性,关断这些器件的控制电路存在体积大、效率低、可靠性差、工作频率低以及电网侧和负载上谐波严重等缺点。 第二阶段是20世纪70年代后期为以可关断晶闸管(Gate Turn Off Thyristor,GTO)、功率双极晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT,也称Giant Transistor,GTR)和功率场效应晶体管(Power-MOSFET)等全控型器件为代表的发展阶段。全控型器件的特点是,通过对门极(基极/栅极)的控制,既可使器件导通又可使器件关断。这一阶段的功率器件开关速度高于晶闸管,它们的应用使变流器的高频化得以实现。 但GTO的开关速度仍旧偏低,BJT也存在着二次击穿和不易并联的问题,驱动电流大和功耗比较大也是该阶段器件的严重缺陷。由此在20世纪70年代末,催生了以MOSFET为代表的场效应晶体管,这类器件克服了前两代的许多不足,具备开关速度快(最高工作频率可以高达几十MHz)、输入阻抗高,而且控制功率小,驱动电路简单等优点,但是他们的导通电阻却比较大,这限制了他们的电流和功率容量,在100V以下目前仍为最理想的开关器件,但是在高压领域其导通电阻仍旧是很大问题。 第三阶段是20世纪80年代后期以绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)复合型器件

宽禁带功率MOSFET半导体器件的研究进展

宽禁带功率MOSFET半导体器件的研究进展半个世纪以来,功率半导体器件得到长足发展,极大地促进了电力电子技术的进步,而功率半导体器件的发展主要基于整个微电子领域的基石——硅材料。19世纪80年代以来,硅材料本身的物理特性对硅基功率器件性能的限制被认识得越来越清晰。 实现低导通电阻的方法是提高材料的临界击穿电场,也就是选择宽禁带的半导体材料。根据更符合实际应用,以及综合考虑功率器件的导通损耗、开关损耗和芯片面积等因素的估算,碳化硅、氮化镓和金刚石功率器件大大降低了损耗和器件面积,新型宽禁带半导体材料将引发功率器件的巨大进步。 同时,以碳化硅、氮化镓和金刚石为代表的宽禁带半导体材料具有较大的电子饱和速度,可以应用于射频器件领域。碳化硅和金刚石具有较高的热导率,适用于对需要耗散较大功率并且半导体芯片热阻是系统热阻一个重要组成部分的大功率应用领域。 基于材料的优越性能,宽禁带半导体功率器件受到广泛关注和深入研究。由于其器件性能的优势基本来源于材料本身,所以宽禁带半导体材料的研究是新型功率器件研究首先要面临的挑战。 2.碳化硅功率器件 碳化硅SiC、氮化镓GaN和金刚石是典型的宽禁带半导体材料。基于碳化硅材料的功率器件经过了长时间研究,已经具有较高的成熟度和可靠性。2004年,Cree公司成功研发微管密度低于10cm-2的高质量3英寸4H-SiC材料,并投放市场。2007年,该公司又推出了4英寸零微管密度的4H-SiC材料,可用于制作大尺寸的高功率器件。 目前Cree公司、II-VI公司、Dow Corning公司和Nippon Steel已经批量生产4英寸碳化硅晶圆。2010年业界发布了6英寸的碳化硅晶圆。150mm的晶圆毫无疑问会降低碳化硅器件制造成本,并且为4H-SiC功率器件的发展提供坚实基础。 2.1 碳化硅功率二极管

半导体功率器件

《半导体功率器件与智能功率IC 》 1、功率半导体器件的定义:能够管理并处理电导功率的半导体器件。包括功率放大、功率管理,电压、电流、频率率转换。通常功率半导体器件可以分为功率分立器件和功率IC 器件。分立器件执行一个单一的功能(还可以分为功率整流器和功率开关器件);功率集成电路(IC 器件)是指集成多个功率器件由一个电路控制。智能功率IC 是“带有数字功能的功率IC 器件”,在芯片上拥有智力和力量。 2、理想的功率转换器应该是零导通电压下降、零反偏电压泄露并且能瞬间控制这两种转台之间的变化。理想开关器件应该是由一定阻抗、感应的并且电容性的,并且能够限制传导电流在应用到栅电极信号控制下得电流流动方向。 3、发生在实际pn 结中两种主要的击穿机制:齐纳击穿和雪崩击穿(大多数常见PN 结)。 4、碰撞电离系数:电子(空穴)沿着电场方向在耗尽层通过1cm 时所产生的电子-空穴对数目。exp(/)n n n a b E α=?- exp(/)p p p a b E α=?-。式中a ,b 都是已知常数,只有E 是电压待测。值得注意的是该系数随E 增加而快速增长。该碰撞电离系数的是3571.810(1/)n p E cm ααα-===?。E 代表电场。 此外在制定电场时,该碰撞电离系数随温度增加而下降。 5、空穴倍增系数: '00()1,1exp[()](0)d x x p d p p p n p p J x M dx dx J M ααα=-=--?? 电子倍增系数:'0(0)1,1exp[()]()d d x x n n n n p n d N x J M dx dx J x M ααα=-=--??。 6、雪崩击穿条件:倍增系数M (电子或空穴)趋近于无穷大时的电压。 所有上面5中俩式子积分为1即为雪崩击穿条件。 7、平面扩散结的击穿发生在边缘较多,而很少发生在平面部分。在扩散窗户边缘形成了一个柱面电路,并在4个角落形成球面轮廓。 8、解决纵向耐压问题:1、椭球面技术(结技术)2、场板技术。3、结掺杂扩展技术。4、模角技术。5、刻槽技术(将柱面结刻蚀)。 9、椭球柱坐标方法(两步转换):1、分别使距离和电场标准化。2、将标准化坐标转换为椭球柱坐标系。 10、扩散保护环:增加结边缘的结深可以相应地增加平面结的击穿电压。(击穿电压随结深的增加而增加)。 11、电导调制效应:向P-i-N 二极管中的i 区注入高浓度的少子空穴和电子的现象,是在击穿电压小于1000v 时在P-i-N 二极管中传送高电流的一个非常重要的现象。其反向电流仅仅是再耗尽区产生的少数载流子形成的泄露电流。所以P-i-N 二极管对电流呈现高阻抗。 12、当电压通过器件的反偏极是,注入的载流子空穴对(存储电荷)必须在耗尽区形成以前被移除,这样就可以支持反向阻断电压,这样就导致了反向恢复电压的产生。这样一个短暂的反向恢复就导致了限制最大转换频率和器件电路可靠性的功率损耗。

功率半导体技术与产业发展

功率半导体器件是进行电能(功率)处理的半导体产品,是弱电控制与强电运行间的桥梁。 在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能源。从手机、电视、洗衣机、到高速列车,均离不开电能。无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用。 每个电子产品均离不开功率半导体技术。功率半导体的目的是使电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能50-70%的同时,更环保、更安静、让人更舒适。人们希望便携式电子产品一次充电后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将“粗电”变为“精电”,因此它是节能减排的基础技术和核心技术。 随着绿色环保在国际间的确立与推进,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制和4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车),扩展到新能源(风电、太阳能)、轨道交通、智能电网等新领域。据国际市场调研机构HISISuppliResearch报告,2011年全球功率半导体市场在2010年大增37.8%以后,继续增长6.7%,达到331亿美元。中国是全球功率半导体的最大市场,占据了超过全球50%以上的份额。 与微处理器、存储器等数字集成半导体相比,功率半导体的产品寿命周期相对较长,可为几年甚至十几年;同时功率半导体不追求特征尺寸的快速缩小,不要求最先进的生产工艺,其生产线成本远低于Moore 定律制约下的超大规模集成电路。因此,功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。 二、功率半导体的定义与分类 功率半导体(PowerSemiconductor,PowerManagementSemiconductor)器件可定义为进行功率处理的半导体器件。典型的功率处理功能包括变频、变压、变流、功率放大和功率管理等。 功率半导体器件包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路,前两者也称为功率(分立)器件。国内常常将功率(分立)器件称为电力电子器件,这是因为早期的功率半导体器件如大功率二极管、晶闸管等主要应用于工业和电力系统领域。

中国大功率半导体器件市场前景分析

中国大功率半导体器件市场前景分析 2009-7-1 15:43:19 来源:中国自动化网 我国将节能降耗作为国家的基本国策之一,功率半导体器件的发展及推广应用是节能的重要技术手段。在此前提下,探究国内外大功率半导体的技术趋势以及各行业应用发展现状,为国内该行业的发展提供参考,最终提高国内电力电子技术应用程度的普及提升。 1大功率半导体器件的定义范围 依据中国电力电子协会主要功率半导体器件会员单位以及国际同行的主导产品结构,我们将大功率半导体拆分为三大类产品便于统计分析,即:200A以上大功率晶闸管、25A 以上晶闸管及整流模块、50A以上大功率IGBT。 2市场总体特点 大功率半导体技术已日益广泛地应用和渗透到电力、冶金、装备制造业、交通运输、国防等重点领域;并在新能源技术、激光等现代加工技术、高铁等前沿领域得到普及,总体来看,只要涉及到大功率的用电场合,以大功率半导体器件为核心的电力电子技术正逐步得到普及和提升。 近年来,我国功率半导体器件的发展十分迅速。产品的应用上,中小功率场合,晶闸管及整流模块、IGBT逐步得到较广泛的应用;大功率场合,仍以晶闸管为主。目前国内的功率器件制造,主要为晶闸管及其模块,只有几条小规模的IGBT后道封装线,还不完全具备研发、制造管芯的能力以及大功率IGBT的封装能力。 3大功率半导体器件的发展趋势 现代大功率半导体器件及其控制技术正朝以下几个方向发展: (1)大电流、高压:现代电力电子器件正向大电流高压方向发展,以适应高压领域对电力电子器件快速需求的趋势,尤其在高压直流输电、高压电力无功补偿、高压电机、变频器等领域。 (2)高频化:从高压大电流的GTO到高频多功能的IGBT、MOSFET,其频率已从数千H Z到几十KHZ、MHZ。这标志着电力电子技术已进入高频化时代。 (3)集成化、智能化:几乎所有全控型器件都由许多的单元胞管子并联而成(IGBT、GTO)。

功率半导体器件的基本功能和用途

功率半导体器件的基本功能和用途 功率半导体器件(Power Semiconductor Device),也可以叫做电力半导体器件, 或者电力电子器件,属于电力电子技术的范畴。现代电力电子器件有时包括介电材料和磁 性材料等构成的电容、电感元件,但在此我们特指功率半导体器件。 根据IEEE(电气和电子工程师协会)的一般定义,电力电子技术是有效地使用功率半导体器件,应用电路和设计理论以及分析方法工具,实现对电能的高效变换和控制的一门技术。电力电子技术始于20世纪70年代,经历40多年的发展,已经成为现代工业社会的支撑 技术之一。 电力电子技术离不开电力电子变换器(Power Converter)。电力电子变换器是进行电力特征形式变换的电力电子电路和装置的总称,它有如下4种基本模式:直-交(DC/AC)逆变模式、交-交(AC/AC)变频模式、交-直(AC/DC)整流模式和直-直(DC/DC)变 换模式。 电力电子变换器的形式多种多样,但一般以功率半导体器件、不同拓扑形式的电路和不同的控制策略作为基本组成元素,也称为“变换器三要素”。图1为一个典型的电力电子变换器示意图。 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。 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。 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

碳化硅功率器件的发展现状及其在电力系统中的应用展望

摘要:碳化硅作为一种宽禁带材料,具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率等优点,可以实现高压、大功率、高频、高温应用的新型功率半导体器件。该文对碳化硅功率半导体器件的最新发展进行回顾,包括碳化硅功率二极管、MOSFET、IGBT,并对其在电力系统的应用现状与前景进行展望。 关键词:碳化硅;功率器件;电力系统 1 引言 理想的半导体功率器件,应当具有这样的静态和动态特性:在阻断状态,能承受高电压;在导通状态,具有高的电流密度和低的导通压降;在开关状态和转换时,具有短的开、关时间,能承受高的d i/d t 和d u/d t,具有低的开关损耗,并具有全控功能。半个多世纪以来(自20世纪50年代硅晶闸管的问世),半导体功率器件的研究工作者为实现上述理想的器件做出了不懈的努力,并已取得了世人瞩目的成就。各类硅基功率半导体器件(功率二极管、VDMOS、IGBT、IGCT等)被成功制造和应用,促使各种新型大功率装置成功地应用于各种工业电源、电机驱动、电力牵引、电能质量控制、可再生能源发电、分布式发电、国防和前沿科学技术等领域。 然而由于在电压、功率耐量等方面的限制,这些硅基大功率器件在现代高性能电力电子装置中(要求具有变流、变频和调相能力;快速的响应性能~ms;利用极小的功率控制极大功率;变流器体积小、重量轻等)不得不采用器件串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用的要求,导致装置的故障率和成本大大增加,制约了现代电力系统的进一步发展。 近年来,作为新型的宽禁带半导体材料——碳化硅(SiC),因其出色的物理及电特性,正越来越受到产业界的广泛关注。碳化硅功率器件的重要优势在于具有高压(达数万伏)、高温(大于500℃)特性,突破了硅基功率器件电压(数kV)和温度(小于150℃)限制所导致的严重系统局限性。随着碳化硅材料技术的进步,各种碳化硅功率器件被研发出来,如碳化硅功率二极管、MOSFET、IGBT等,由于受成本、产量以及可靠性的影响,碳化硅功率器件率先在低压领域实现了产业化,目前的商业产品电压等级在600~1700V。近两年来,随着技术的进步,高压碳化硅器件已经问世,如的碳化硅二极管[1],10kV的碳化硅MOSFET[2]和13~15kV[3-4]碳化硅IGBT等,并持续在替代传统硅基功率器件的道路上取得进步。这些碳化硅功率器件的成功研发带来了半导体功率器件性能的飞跃提升,引发了新一轮技术革命,必将在众多应用领域,如电力系统中的高压领域产生深远的影响。 2 碳化硅材料及功率器件进展

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