IGBT构成、作用原理、技术、市场规模及供需情况如何？

技术领先&多领域覆盖，打开新能源汽车/风光储/工控需求增量。

1.行业综述：IGBT= MOSFET + BJT，为电力电子行业“CPU”

IGBT 作为一种新型电力电子器件，是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，是工业控制及自动化领域的核心元器件，其作用类似于人类的心脏，能够根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，以实现精准调控的目的。因此，IGBT被称为电力电子行业里的“CPU”，广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等领域。 IGBT= MOSFET + BJT。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）又称绝缘栅双极型晶体管，是由 MOS（绝缘栅型场效应管）和 BJT（双极型三极管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，其输入极为 MOSFET，输出极为 PNP 晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融合了 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点，具备易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高 （10-40 kHz）等特点，已逐步取代晶闸管和 GTO（门极可关断晶闸管），是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件，也是变频器的重要元件之一。

IGBT 由栅极（G）、发射极（E）和集电极（C）三个极控制。IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给 PNP 晶体管提供基极电流，使 IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使 IGBT 关断。若在 IGBT 的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET 导通，这样 PNP 晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为 0V,则 MOSFET 截止，切断 PNP 晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

IGBT 攻守兼备， BJT 及 MOSFET 优势集合体。IGBT 既有MOSFET 的开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小的优点，又有BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点，在高压、大电流、高速等方面是其他功率器件不能比拟的，因而是电力电子领域较为理想的开关器件,是未来应用发展的主要方向。IGBT稳定性比MOSFET稍差，强于BJT，但 IGBT 耐压比 MOSFET 容易做高，不易被二次击穿而失效，易于高压应用领域。

2.技术分析：沟槽栅+场截止系划时代技术组合

降低损耗与生产成本为主要发展趋势，沟槽栅+场截止成为划时代技术组合。第一阶段是第一、第二代 IGBT 为代表的平面栅型 IGBT，其中第一代由于工艺复杂且成本高，已基本被淘汰。第二代部分类型产品目前仍有销售；第二阶段是以第三代、第四代IGBT为代表的沟槽栅型IGBT。该类型产品通过创新的沟槽设计，大大减小了 IGBT 的体积和使用功耗，因此被广泛使用。第五代、第六代的 IGBT，属于对沟槽栅型的改进，结构并未有很大的变动。此外，该阶段还出现了第三阶段的过渡型产品 Trench Stop；第三阶段是 2018 年以后出现的第七代微沟槽型IGBT，该类型产品更大程度地减小了器件的体积和功耗，目前英飞凌等厂商技术已达量产水平。

穿通型 IGBT 为负温度系数，非穿通型 IGBT 为正温度系数。穿通型IGBT以高杂P+为村底，之上是 N+缓冲层，以 N-基为外延，最后通过扩散和注入工艺构造发射极和栅极。当外加电压足够高时，它可以穿通整个 N 基区，因而称为“穿通”型。非穿通型IGBT以低掺的N基区作为村底，这样 P+掺杂发射区就可以设计得很薄，在阻断状态，电场只在N型村底内存在。因为电场不再“穿通”N 型村底，所以被称为“非穿通”IGBT，低掺杂N-型村底必须设计得相对比较厚，以能够承受所有阻断电压，这样该层损耗为 IGBT 总损耗主要部分。由于背部发射区（P掺杂层）较薄，所以其中的载流子浓度不如穿通型 IGBT 中的浓度高，因而根难改变发射区中载流子寿命。相对于穿通型 IGBT，关断时拖尾电流较低，但是持续的时间更长。

P 型发射区反型沟道垂直，消除 JFET 效应。沟槽栅结构与平面栅极结构的主要区别在于，当 IGBT 开通时，P 型发射区的反型沟道是垂直的而不是水平的。在平面栅IGBT中，正向导通时，P 阱与 N-漂移区形成的 PN 结处于轻微的反向偏置状态，因而会形成有一定宽度的空间电荷区，它挤占了一定的空间，因此电流只能从一个相对较窄的空间流过，增大了电流通路上的阻抗。因此，在平面栅 IGBT 中，在电子流通方向上，包含沟道电阻Rkanal，JFET 电阻RJFET，与漂移区电阻 Rn-。而沟槽型 IGBT，因为沟道垂直，消灭 JFET 区域，因而整个电流通路上阻抗更低。沟槽型 IGBT 载流子浓度远高于平面型 IGBT，故在沟槽型 IGBT 中，适当沟槽宽度与间距可以提高 N-区近表面层的载流子浓度，从而减小漂移区电阻 Rn-。沟槽IGBT 的垂直结构省去在硅表面上制作导电沟道的面积，更有利于设计紧凑的元胞。即在同等芯片面积上可以制作更多的IGBT元胞，从而增加导电沟道宽度，降低沟道电阻。

截止层提前降低截止电场为达到高功率有效手段。要做到高功率，就必须要降低饱和压降，也就是降低 Ron。所以必须要降低 N-漂移区厚度，但 N-漂移区厚度受到截止状态的电场约束（太薄容易穿通）。故要想降低 N-漂移区厚度，必须要让截止电场到沟道前提前降下来。所以需要P型发射区与 N-漂移区之间引入 N+场截止层（Field Stop，FS）。当IGBT 处于关闭状态，电场在截止层内迅速降低到 0，达到终止的目的，从而进一步降低 N-漂移区厚度达到降低Ron和饱和压降。场截止结构与 N+缓冲结构类似，故同样存在穿通型 IGBT 器件抑制关闭状态下的拖尾电流提高关闭速度的效果。

3. 规模：26 年全球 IGBT 规模有望突破80 亿美元，22年斯达半导模块进入全球前十

功率半导体主要用于电力设备的电能变换和电路控制，是进行电能处理的核心器件，弱电控制与强电运行间的桥梁，细分产品主要有 MOSFET、IGBT、BJT 等。随着世界各国对节能减排的需求越来越迫切，功率半导体器件已从传统的工业控制和4C（通信、计算机、消费电子、汽车）领域迈向新能源、新能源汽车、轨道交通、智能电网、变频家电等诸多产业。功率半导体的发展使得变频设备广泛的应用于日常的消费，促进了清洁能源、电力终端消费以及终端消费电子的产品发展。根据 Omida 数据，2023 年全球功率半导体市场规模达到503 亿美元，预计2027年市场规模将达到 596 亿美元。中国是最大的功率半导体市场之一，据中商产业研究院发布的《2024-2029 年中国功率半导体产业市场供需格局及发展前景预测报告》，2024年中国功率半导体市场规模预计将达到 1,752.55 亿元人民币，这一增长主要受到智能电网、新能源汽车等领域对功率半导体需求量大幅提升的推动。 IGBT 是目前发展最快的功率半导体器件之一，根据 Yole 数据，2022 年全球IGBT的市场规模约为 68 亿美元，受益于新能源汽车、新能源发电、工业控制等领域的需求大幅增加，预计2026 年全球 IGBT 市场规模将达到 84 亿美元。中国是全球最大的IGBT 市场，约占全球IGBT市场规模的 40%，预计到 2025 年中国 IGBT 市场规模将达到522 亿人民币，是细分市场中发展最快的半导体功率器件之一。

我国 IGBT 产业起步较晚，全球市场主要被国外企业垄断。IGBT 市场竞争格局较为稳定，其中英飞凌常年在分立式 IGBT 及 IGBT 模组领域位居全球第一。根据英飞凌财报数据，2022年英飞凌在分立式 IGBT 及 IGBT 模块领域以 32.1%/31.7%占据全球第一，三菱以24.3%的市场份额在 IPMs 市场占领榜首；从国内层面分析，在分立 IGBT 市场中，只有士兰微进入全球前十，以 3.4%的份额排名第八，在 IGBT 模组中仅斯达半导、时代电气进入全球前十，分别以4.3%/4.1%的市场份额排名第五、第六。

4. 供需：24 年中国 IGBT 产量预计超7,500 万只，自给率或达40%

2024 年产量预计超 7,500 万只，国产替代为主要驱动力。根据芯八哥引用Yole数据，2019-2021 年我国 IGBT 产量分别为 1,550/2,020/2,580 万只，预计到2024 年将产量将增长至7,820 万只。基于国家相关政策中提出核心元器件国产化的要求，国产替代成为国内IGBT行业的发展趋势和促进行业内企业发展的主要驱动因素。IGBT 是我国重大科技突破专项中的重点扶持项目，自 2015 年以来我国 IGBT 自给率超过 10%并逐渐增长，预计2024 年我国IGBT自给率或达 40%。

国内 IGBT 总产能将达 341 万片/年（等效 8 寸）。我国半导体企业尚不能满足国内市场对于IGBT 的 需 求 ， 根 据 Yole 数 据 ， 2019-2021 年 我 国 IGBT 的市场总需求量分别为9,500/11,000/13,200 万只，国内生产占比不到 20%，预计 24 年国内生产占比有望达40%。根据半导体产业纵横数据，截至 2022 年 10 月 10 日统计，若统计产线均处于投产状态，按照规划产能我国 IGBT 产能（等效 8 寸）将达到 341 万片/年（约 28 万片/月）。其中：（1）比亚迪：目前比亚迪半导体拥有宁波比亚迪半导体、广东比亚迪节能科技、长沙比亚迪半导体、西安比亚迪半导体、济南比亚迪半导体 5 家子公司。产能方面则有宁波半导体（6 英寸）、长沙半导体（8英寸）和济南半导体（8 英寸）。根据比亚迪半导体的招股书披露，2021H1 的IGBT模块产能为130 万个/半年。（2）斯达半导：斯达半导是国内最大的第三方IGBT 厂，也是切入主流整车厂最多的公司。斯达半导采用的是 Fabless 模式，依靠华虹和积塔代工。2021 年公司IGBT模块产量 930 万只。2021 年 7 月，斯达半导与华虹半导体联手宣布12 英寸车规级IGBT规模量产，产出已超 10,000 片晶圆。根据斯达半导《2021 年度非公开发行A 股股票预案（修订稿）》披露，将募资 35 亿元用于 IGBT 芯片、SiC 芯片的研发及生产，预计将会达成6 英寸IGBT产能30万片/年，6 英寸 SiC 芯片产能 6 万片/年。