从20世纪80年代至今,IG *** 芯片经历了7代升级,从平面穿通型(PT)到沟槽型电场—截止型(FS-Trench),芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化,断态电压也从600V提高到6500V以上 。
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之一代:PT-IG ***,使用重掺杂的P+衬底作为起始层,在此之上依次生长N+ buffer,N- base 外延,最后在外延层表面形成原胞结构,由于体内晶体结构本身原因造成“负温度系数”,各 IG *** 原胞通态压降不一致,不利于并联运行,之一代IG *** 电流只有25A,且容量小速度低,目前已基本退出市场 。
第二代:改进版PT-IG ***,采用精细平面栅结构,增加一个“缓冲层”,在相同的击穿电压下实现了更薄的晶片厚度,从而降低了 IG ***导通电阻,降低了 IG ***工作过程中的损耗,提高了 IG ***的耐压程度 。
第三代:Trench-IG ***,采用 Trench 结构,通过挖槽工艺去掉栅极下面的 JFET 区,把沟道从表面变到垂直面,基区的 PIN 效应增强,栅极附近载流子浓度增大,提高了电导调制效应减小了导通电阻,有效降低导通压降及导通损耗 。
第四代:NPT-IG ***,使用低掺杂的 N-衬底作为起始层,先在 N-漂移区的正面做成 MOS 结构,然后从背面减薄到 IG ***电压规格需要的厚度,再从背面用离子注入工艺形成P+集电极,在截止时电场没有贯穿N-漂移区,因此称为NPT“非穿通”型IG ***。
可以精准的控制结深而控制发射效率,尽可能地增快载流子抽取速度来降低关断损耗,保持基区原有的载流子寿命而不会影响稳态功耗,同时具有正温度系数特点 。
第五代:FS-IG ***,采用先进的薄片技术并且在薄片上形成电场终止层,大大的减小了芯片的总厚度,使得导通压降和动态损耗都有大幅的下降,从而进一步降低IG *** 工作中过程中的损耗 。
第六代:FS-Trench-IG ***,是在第五代基础上改进沟槽栅结构,进一步增加芯片的电流导通能力,优化芯片内的载流子浓度和分布,减小了芯片的综合损耗 。
第七代:微沟槽栅-场截止型 IG ***,沟槽密度更高,原胞间距也经过精心设计,并且优化了寄生电容参数,从而实现 5kv/us 下的更佳开关性能 。
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总体而言,不同代际升级趋势为升高耐压程度,降低开关损耗,在结构上大体表现在以下两方面:
栅极结构方面:
早期 IG ***是平面栅结构,随着 Trench(干法刻槽)工艺的成熟,将平面型栅极结构变成垂直于芯片表面的沟槽型结构,IG ***的本质是通过控制栅极与发射级之间的电压大小,从而实现对 IG ***导通和截止状态的控制 。
当栅极-发射级电压≤0 时,IG ***呈关断状态,当集电极-发射级电压≥0且栅极-发射级电压>阈值电压,IG ***呈导通状态 。
沟槽型结构单元面积小、电流密度大、通态损耗降低约 30%,击穿电压更高 。
纵向结构方面:
早期是穿通型(PT)和非穿通型(NPT)结构 。PT IG ***是最早商业化生产的 IG ***,随着使用应用中电压等级越来越高,对 NPT 结构的基区宽带要求越来越宽,又有了在高压领域向穿通结构的回归 。
2、?国内空间广阔,海外巨头占据垄断地位 ?2.1.国内IG *** 模块百亿级市场空间,占全球40%以上
根据英飞凌年报,2019年英飞凌模块产品全球市占率35.6%,斯达半导2.5%,英飞凌IG *** 器件产品市占率32.5%,士兰微2.2% 。
2019年斯达半导IG *** 模块营业收入7.6亿元,士兰微IG *** 器件营业收入约1亿元,由此可推算2019年全球IG *** 模块市场规模约300亿元,IG *** 器件市场规模约45亿元 。
根据 A *** C 研究显示,全球 IG ***市场规模预计在2022年达到60亿美元,全球 IG ***市场规模在未来几年时间仍将继续保持稳定增长的势头 。
根据中国产业信息网和头豹研究院数据整理,2014年,我国IG *** 行业市场规模为79.8亿元,预测到2020年,我国 IG *** 行业将实现197.7亿元的收入,年复合增长率达16.32% 。
预计到2023年中国 IG ***行业整体市场规模有望达到290.8亿元,市场前景广阔 。
根据 Yole 预测,2024年我国行业IG *** 产量预期达到0.78亿只,需求量达到1.96亿只,仍存在巨大供需缺口 。
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IG *** 市场长期被英飞凌、富士电机等海外公司垄断,英飞凌占据绝对领先的地位 。
2019年英飞凌模块产品全球市占率35.6%,器件产品全球市占率32.5%,IG *** 模块领域国内斯达半导是唯一进入前十的企业,市占率2.5%,IG *** 器件领域国内士兰微是唯一进入前十的企业,市占率2.2% 。
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