碳化硅与第三代半导体的渊源

时间： 2024-02-27 来源：芯长征科技公众号

技术问答

碳化硅属于第三代半导体材料，与普通的硅材料相比，碳化硅的优势非常突出，它不仅克服了普通硅材料的某些缺点，在功耗上也有非常好的表现，因而成为电力电子领域目前最具前景的半导体材料。正因为如此，已经有越来越多的半导体企业开始进入SiC市场。

图 1

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）、氮化铝（ALN）、氧化镓（Ga2O3）等，因为禁带宽度大于2.2eV统称为宽禁带半导体材料，在国内也称为第三代半导体材料。

二、碳化硅的发现

人类历史上第一次发现碳化硅是在1891年，美国人艾奇逊在电溶金刚石的时候发现一种碳的化合物，这就是碳化硅首次合成和发现。随后各国科学家经过深入研究之后，终于理清了碳化硅的优点和特性，并且发明了各种碳化硅的长晶技术，产业研究前后长达70多年。

2001年的时候英飞凌就做出了第一只碳化硅二极管，然后Cree，罗姆，ST等公司也相继进入碳化硅领域，做出了碳化硅二极管，三极管，MOSFET管等，有少量科研机构用研发过碳化硅IGBT结构，但是IGBT结构的一时半刻找不到应用场景。

以前大家都知道碳化硅很好，但是问题也很多，第一长晶技术不成熟，晶体内缺陷太多，严重影响良率和稳定性，可靠性；其次是不知道应用场景，因为碳化硅器件虽然性能强，但是太贵，找不到一个很适合的商业落点。

但是这一切都被特斯拉改变，特斯拉是业内第一个提出使用碳化硅替代硅的车企，并且大胆用到特斯拉的毛豆3上，随后其他车厂纷纷效仿，碳化硅迎来大规模上车的阶段，因此业内认为碳化硅发展元年是在2019年，特斯拉这一大胆的举动，拉开了碳化高速发展的序幕。

三、碳化硅与半导体

在半导体业内从材料端分为：

第一代元素半导体材料：如硅（Si）和锗(Ge)；

第二代化合物半导体材料：如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等；

第三代宽禁带材料：如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（ALN）、氧化镓（Ga2O3）

图 2

禁带宽度物理意义是实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量，也就是产生本征激发所需要的最小能量，自由电子获得足够的能量后能跃迁到导带，这个能量最小值就是禁带宽度。

禁带宽度直接决定着器件的耐压和最高工作温度，因此禁带宽度大的材料更适合高温高压场景。

相比之下硅禁带宽度只有1.12eV，碳化硅有三倍于硅的禁带宽度，因此承受同样电压的器件，碳化硅器件的面积要比硅器件小的多，只有1/10，电压越高面积比越明显，或者说同样面积下，碳化硅的耐压比硅强很多。

图 3

总结以下几点优点：

1、宽禁带半导体材料的禁带宽度大，击穿电场强度高，大大增加了宽禁带器件能够承受的峰值电压，器件的输出功率可以大大提高；

2、宽禁带材料具有高导热性、高化学稳定性等优点。使功率器件能够在更恶劣的环境下工作，大大提高了系统的稳定性和可靠性;

3、宽禁带材料具有优异的抗辐射能力。在辐射环境下，宽禁带器件的辐射稳定性比硅器件高10~100倍，是制作耐高温、抗辐射的大功率微波功率器件的优良材料。

4、由于宽禁带半导体器件的结温较高，它们可以在冷却条件差、热设计保证差的环境中稳定工作。

其中半绝缘型碳化硅上主要是长氮化镓外延层制造用于射频和光电器件，导电型碳化硅衬底上长同质碳化硅外延层用来做功率半导体，两者材料应用有区别。

特别是碳化硅基氮化镓，因此氮化镓衬底实在太贵了，而且碳化硅和氮化镓有非常优异的晶格匹配度超过95%，因此碳化硅上能长出高质量的氮化镓外延层，因此氮化镓外延片把碳化硅当做最好的衬底。

四、碳化硅功率器件的电气性能优势：

1. 耐压高：临界击穿电场高达2MV/cm(4H-SiC)，因此具有更高的耐压能力(10倍于Si)。

2. 散热容易：由于SiC材料的热导率较高(是Si的三倍)，散热更容易，器件可工作在更高的环境温度下。理论上，SiC功率器件可在175℃结温下工作，因此散热器的体积可以显著减小。

3. 导通损耗和开关损耗低：SiC材料具有两倍于Si的电子饱和速度，使得SiC 器件具有极低的导通电阻(1/100 于Si)，导通损耗低；SiC材料具有3倍于Si 的禁带宽度，泄漏电流比Si 器件减少了几个数量级，从而可以减少功率器件的功率损耗；关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，可大大提高实际应用的开关频率(10 倍于Si)。

4. 可以减小功率模块的体积：由于器件电流密度高(如Infineon 产品可达700A/cm)，在相同功率等级下，全SiC 功率模块(SiC MOSFETsSiC SBD)的封装尺寸显著小于Si IGBT 功率模块。

主要缺点

肖特基二极管的主要缺点是反向电流相对较大。由于它的金属-半导体结，当电压反向连接时，更容易产生泄漏电流。此外，肖特基二极管往往具有较低的最大反向电压。它们的最大值往往为50V或更低。请记住，反向电压是指当电压反向连接（从阴极到阳极）时，二极管将击穿并开始传导大量电流的值。这意味着肖特基二极管不能承受很大的反向电压而不击穿和传导大量电流。即使在达到最大反向值之前，它仍会泄漏少量电流。

根据电路的应用和使用，这可能被证明是重要的或不重要的。

图 3

五、碳化硅的市场

根据市场调研的数据，2021年碳化硅功率器件的市场规模超过10亿美元，并预计到2025年，这个数字将超过37亿美元，年复合增长率（CAGR）超过34%。

另一家知名产业研究机构也做出了类似的判断，认为化合物半导体功率器件的市场规模将从2021年的9.8亿美元，成长至2025年的47.1亿美元。碳化硅占据主要份额，2025年预计达到34亿美元，略低于另一家的预测。

而在碳化硅功率器件的应用领域中，新能源汽车是重中之重，2021年采购量占全部用量的三分之二，之后这一比例还将逐渐提升，在2025年达到76%。

现在IGBT市场一年全球大约是80-110亿美金，如果按照我的设想，降低到750美金的成本，吃掉增量市场就是30%，就有30多亿美金了，如果降低到550亿的成本，能吃到存量市场至少要占50%以上，那是50多亿美金。我认为碳化硅会一直卷硅的IGBT/MOSFET，卷到到低于2000w产品，卷不动为止，这至少有50%以上了，所以碳化硅干到50亿美金的市场规模，我觉得未来是很有可能的。

六、盘点国内碳化硅公司

1．碳化硅衬底公司现在至少有天岳，天科，同光晶体，中电2所，三安，神州科技，世纪金光，超芯星，中科钢研，露笑，东尼，晶盛机电，以及浙江晶睿，大和热磁等要进军的企业。

外延主要是瀚天天成和天域，天科，天岳也有一部分外延能力，中电科的国盛，普兴等。

2.器件制造就更多了包括，华润微，士兰微，瞻芯，世纪金光，泰科天润，基本半导体，三安，积塔，启迪（长光），扬杰科技，中车时代，芯光润泽等等。

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目录- Introduction of Littelfuse Index Symbols and Terms/Nomenclature New Pressfit Pin packages ISOPLUS™ family IGBT Discretes IGBT Modules Power MOSFETs Diodes Thyristors Rectifier Bridges Protection Devices Gate Drivers/Power Relays Diode & Thyristor（IXYS Chippenham） Power Semiconductor Chips/Direct Copper Bonded Ceramic Substrates Application Notes Highlights Outline Drawings

型号- R1280NC25M,MCD 26-16IO1B,N2055HE420,IXTT 30N50L2,R1280NC25K,R1280NC25L,MCD 56-18IO8B,IXBOD 2-52R,R1280NC25J,IXTQ 52N30P,MCK 200-18IO1,IXYR 100N120C3,LSIC2SD120C05,MDC600-22IO1W,IXYH 16N250CV1HV,LSIC2SD120C08,M0863LC360,IXTP 100N15X4,VBO 125-08NO7,DPG 15I200PA,F1600NC080,IXTH 1N450HV,T0600TB45A,LSIC2SD065E40CCA,DSEP 2X91-03A,IXBOD 2-51R,IXTX 4N300P3HV,IXTA 36N30P,VBO 72-18NO7,M4305TJ240,IXFR 64N60P,N6405EA240,IXYR 50N120C3D1,MCD580-28IO7,VUO 25-14NO8,0440 007.WRA,IXFY 36N20X3,VBO 25-12NO2,IXTT 120N15P,M1010NC400,IXBH 6N170,MCC 56-14IO1,VBE 26-06NO7,MCD160-30IO3,SXB4869G,IXTJ 3N150,DHG 10I1200PM,IXTH 120P065T,VTO 39-08HO7,IXFN 32N80P,IXTL 2N450,DMA 30P1600HR,IXBOD 2-54R,MDK950-18N1W,CS 20-25MOT1,IXBOD 2-55R,IXTK 140N20P,IXTR 48P20P,DH 20-18A,W2115MC560,IXTP 05N100P,IXFT 18N90P,QJ8030LH4TP,N4340TJ180,DMA 30P1600HB,W3841VC340,MKH 17RP650DCGLB 11,,SXB4649HEXT,IXBOD 2-17RD,DSEP 40-03AS,IXFH 42N50P2,Q8025K6TP,IXFH 22N50P,DPG 30C200HB,DSI 30-12AS,MCMA 240UI1600ED,IXBOD 2-53R,M0367WC220,VUM 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选型指南 - LITTELFUSE - 2021/06/01 PDF 英文下载

【IC】MSG120T65HQC1：麦思浦高性能IGBT，在120A时具有1.8V低集电极-发射极饱和电压

麦思浦半导体推出新产品MSG120T65HQC1，这是一款专为高效和高功率应用而设计的尖端绝缘栅双极晶体管（IGBT）。MSG120T65HQC1凭借其卓越的性能特性和稳健的设计，在电力电子行业树立了新的标杆。

产品发布时间 : 2024-09-13

不得不说的电力电子系统中IGBT保护者之吸收电容

在电力电子系统中，IGBT常常是主要的开关器件，IGBT损坏，可能会导致相当大的经济损失，为了抑制尖峰电压，除了在IGBT驱动器上采用一定的措施如有源钳位等进行电压钳位外，还需要在直流母线两端添加吸收电容，吸收掉尖峰电压。

设计经验发布时间 : 2016-06-19

【产品】1200V/100A七管封装功率IGBT模块，采用英飞凌第四代IGBT芯片技术

flow7PACK 2是Vincotech推出的一款具有优异电磁兼容性能，采用低电感flow 2封装的功率模块。

新产品发布时间 : 2017-09-27

Rely On Rogers | 罗杰斯电力电子解决方案助力智能电网可靠高效运转

ROGERS罗杰斯在智能电网中，通过curamik®高效陶瓷基板和ROLINX®高可靠母线排，显著提升设备效率与可靠性。curamik®基板以卓越导热、高绝缘及低热膨胀特性，保障电力电子器件稳定运行；ROLINX®母线排则凭借低电感、高功率密度设计，实现高效配电。罗杰斯以创新技术助力智能电网发展，提供定制化解决方案，满足复杂电力需求。

产品发布时间 : 2024-09-10

中电国基南方（CETC）SiC电力电子器件选型指南

描述- 中电国基南方是国内最早从事SiC电力电子器件研发和生产的企业。在SiC为代表的第三代功率半导体领域承担了国家科技重大专项、“863”、“973”、国家重点研发计划等超过80项国家级课题；申请发明专利超过200多项，其中PCT10项，已授权67项。产品系列电压覆盖650V-6500V，电流覆盖2A-150A，产品性能和可靠性满足多种应用需求，已广泛应用于新能源汽车及充电设备、轨道交通、新能源发电、电网传输、家用电子设备等领域。

型号- WS4A020120A,WS4A050065D,WMH075M120A1A,WS4A050065B,WS4A020120B-V,WS4A020120B,WS4A020120D,WS4A040120K,WMIT075M120B1A,WS4A040120D,WM2HA020065Y,WS4A040120B,WMT075M120B1A,WMH020M065A1A,WS4A030065D,WS4A020120J,WS4A040120B-V,WS4A020120K,WS4A030065J,WS4A025170B,WS4A025170D,WS4A030065B,WM2A030065L,WM2A030065K,WS4A030065K,WS4A050170B-V,WMD075M120B1A,WM2HV020170L,WS4A006065F,WM2HV020170K,WS4A006065E,WS4A004065A0,WS4A006065B,WS4A006065A,WS4A010065E,WS4A015065J,WS4A010065F,WS4A010065A,WS4A015065F,WS4A010065B,WM2A080170N,WM2A080170L,WM2A080170K,WM2HV140120N,WM2HV140120L,WM2HV040065L,WM2HV040065K,WM2HA040120N,WM2HA040120L,WM2HA040120K,WM2A060065N,WM2A060065K,WM2HV040065N,WM2A060065L,WS4A050170B,WM2A060065Y,WM2HA030120N,WM2HA030120K,WS4A050170D,WM2HA030120L,WM2HA020120K,WM2HV140120K,WS4A005120E,WM2HA020120L,WM2A040120L,WM2HV020120N,WM2HA020120N,WM2HV020120K,WM2HV020120L,WM2A040120K,WS4A010065J,WS4A015120J,WS4A015120D,WM2V080170K,WS4A050065B-V,WS4A005120A,WS4A005120B,WMH016M120A1A,WM2V080170L,WM2HA040065N,WM2V080170N,WM2HA040065L,WM2HA040065K,WS4A020065A,WS4A020065D,WS4A020065B,WM2HV030120K,WS4A020065B-V,WM2HA040065Y,WS4A020065F,WS4A015120A,WM2V040120L,WM2V040120K,WS4A015120B,WMH060M120A1A,WM2HA011075K,WM2HA011075L,WM2HA04006Y,WM2HV030120N,WS4A060120D,WS4A020065K,WM2HV030120L,WS4A020065J,WM2HA024200LP,WS4A060120K,WM2V040170L,WM2V040170N,WS4A025170B-V,WM2V040170K,WMH080M170A1A,WS4A030120K,WS4A030120B-V,WM2HV060120L,WM2HV060120K,WM2HV060120N,WMIT040M120B1A,WM2HV011075L,WM2HV011075K,WS4A200120T,WMT040M120B1A,WM2HA240120N,WS4A010120E,WS4A004065F0,WS4A010120D,WS4A010120B,WS4A010120A,WM2A050330L,WM2HA240120E,WS4A008065B,WM2HV040120L,WS4A060065K,WS4A008065A,WMD040M120B1A,WS4A008065F,WS4A008065E,WM2HA140120L,WSXAXXXXXX0,WM2HA140120K,WM2HA140120N,WS4A050120D,WS4A050120B,WMH040M120A1A,WM2HV016120L,WM2HV016120K,WM2HA020170L,WS4A010120J,WM2HA020170K,WS4A040065K,WS4A050120B-V,WMH060M075A1A,WS4A015065A,WS4A015065B,WM1A650170N,WM1A650170K,WM2A075120K,WM2A075120L,WM2A075120N,WM2V020065N,WM2V020065K,WM2V020065L,WS4A004065B0,WS4A004065E0,WMXAXXXXXX0,WM2V075120N,WM2HA060120K,WM2V075120K,WM2HA060120L,WM2V075120L,WM1A080120K1,WM2HA060120N,WM2HV075120L,WM2HA020065K,WS4A030065B-V,WM2HA020065L,WM2A040170K,WM2A040170L,WM2A040170N,WM2HA016120L,WM2HA016120K,WM2HA020065N,WM2HA016120T,WM2A060090N,WMH020M120A1A,WM2A060090K,WM1A080120L1,WM2A060090L,WM2A100200LP,WM1A01K170K,WS4A030120D,WM2A050200LP,WM2A020065L,WM2A020065K,WM2A020065N,WM1A01K170N,WS4A030120B

选型指南 - 中电国基南方 - 2024/7/30 PDF 中文下载

芯际探索（XJTS）功率器件选型指南

描述- 公司以元器件可靠性为基础，在该领域纵向发展，自主研发了 IGBT 及模块、Si 基 /SiC 基 MOSFET及模块和 HVIC 高边开关系列产品。应用市场从以往传统的航空航天、商业航天领域拓展至当下炙手可热的新能源汽车、高铁、舰船、光伏等电子电力装置领域，满足多领域逆变器、UPS、变频器、电机驱动及大功率电源的应用需求。

型号- CSBW50N65EC,CSBW40N120E,CSSY60M190B,CSBP15N60B,CSCX3N65A,CSFP25R12FBF,CSSA70M200CFD,CSSX70M1K5,CSBC15N65B,CSVX13N50B,CSKX6N65AK,CSBA20N60BZ,CSFF150R12KB,CSVM02N50HA,CSKX20A120AK,CSBW50N65EH,CSSX65M210B,CSSA65M640B,CSKX20N65AK,CSTO5N60N,CSCK20N120A,CSKX8N65AK,CSSD100D120R3QN,CSTU15N30AK,CSSX80M670B,CSVP15N50AKH,CSBA10N65B,CSSX65M320B,CSSX65M550B,CSSX65M990,CSCE20N120A,CSSX70M190,CSVX7N60ECFD,CSFF200R12RB,CSVA10N65F,CSSA65M280CFD,CSVX10N65B,CSGU15R30BKH,CSKX10N65AK,CSSS150D065R3ON,CSSX60M900B,CSFP40R12FBF,CSFF50R12RB,CSSW60M041,CSSA65M1K5,CSSA65M1K8,CSBW30N120E,CSFF75R12RB,CSGU10R7,CSSS600D120R3MW,CSBQ50N120B,CSBQ75N120BF,CSTD50N60N,CSSW60M086CFD,CSCC10N120A,CSBW40N120ES,CSFF200R07RBF,CSFS150R12DBF,CSSX65M170,CSSX70M710B,LPHVIC2AB,CSSA60M240,CSSD050F120R3ON,CSSX70M300CFD,CSSW65M045B,CSFP100R12DBF,CSBD6N65EF,CSFP75R12TBF,CSFF820R08RBF,CSSX65M260,CSCC15N120AK,CSFP75R12DBF,CSVX10N60B,CSBW50N65E,CSCX120R80BKX,CSSX70M600B,CSCE30N120A,CSSW65M092CFD,CSVX14N50B,CSBP15N65B,CSSX70M430,CSVX20N50B,CSSV050D120R3ON,CSSX60M940,CSVX2N60B,CSFF450R12KBF,CSSX65M390,CSCK15N120A,CSCX15N65A,CSCX6N65A,CSTO2N10,CSSX65M110B,CSSD70M910B,CSSC600D120Z2MN,CSBW60N60CF,CSFP150R12DBF,CSVX2N65BK,CSBW50N65BH,CSSD100D170C6XN,CSSX60M350B,CSSW65M046CFD,CSSS300D120Z2MW,CSFP15R12CBF,CSBW40N120BF,CSFP50R12TBF,CSSS500D170C3MN,CSFP25R12EBF,CSSX70M900,CSSS380D170C3MN,CSVA12N65F,CSSX60M370,CSBM10N60BTB,CSBW40N65BF,CSFP50R12DBF,CSSA65M1150E,CSCX120R40BKX,CSGJ010R075,CSSX65M830B,CSTO4N85,CSSW65M030CCFD,CSSW60M115B,CSFF75R12RBF,CSSW65M065E,CSVX8N70,CSVX7N60B,CSGJ80R040,CSSS250D170C3MN,CSSX80M850B,CSVX4N65F,CSVX4N65B,CSCX10N65A,CSCX2N65A,CSSX65M810,CSFS200R12DBF,CSSX70M1K1B,CSGP10R033,CSFF200R12KBF,CSVX20N65F,CSSS200D120R3PN,CSVX20N65B,CSSS100D120R3ON,CSFP40R12CBF,CSHVIC25,CSSX60M190B,CSSW60M150B,CSSS100F120R3OW,CSSX65M165B,CSVX12N65B,CSSS100F120R3PN,CSSX70M360B,CSVX3N60BCFD,CSRC25U20AL,CSCZ120R30BKY,CSSX80M250B,LPHVIC75B,CSTD50N30R,CSFF150R12RB,CSVM03N60TA,CSVA8N65B,CSFF450R12MBF,CSSA70M180B,CSVM03N60TD,CSFF100R07RBF,CSFS100R12DBF,CSSX65M130B,CSTP80N60N,CSFF150R12KBF,CSCX120R30BKX,CSSC600D120R3MN,CSCX8N65A,CSFP25R12CBF,CSSX70M700,CSKP1N30AK,CSSX80M380B,CSCE1N40AKH,CSFF200R12KB,CSFP50R12FBF,CSSX65M1K0B,CSFF450R17MBF,CSTO3N60N,CSVX18N50B,CSVX4N70,CSCE40N120A,CSSX60M600,CSGJ06R030,CSSA65M180CFD,CSSS250D170G3MN,CSSX60M160,CSHVIC15,CSBW15N120BF,SSX65M450B,CSFF100R12RB,CSCX120R16BKX,CSSS050F120R3OW,CSBA15N65B,CSSD100F170C6XN,CSSC600D12R3MN,CSFB15R12WBF,CSSP65M600AKH,CSFF400R12KBF,CSVX7N65B,CSSA60M250CFD,CSFF150R12RBF,CSVM07N60TD,CSVX7N65F,CSSS300D120R3MW,CSBX20N60B,CSVM07N60TA,CSVA20N50F,CSSS300D170C3MN,CSBW40N60BF,CSFF600R12MBF,CSBL50N120B,CSBM15N60BTB,CSVX4N60B,CSSA70M230B,CSSD050D170C6XN,CSCK30N65A,CSRT80U40B,CSSS900D120R3TW,CSCX4N65A,CSFP40R12EBF,CSBA10N60E,CSFF300R17KBF,CSSD050F170C6XN,CSBX10N60B,CSVX6N70,CSBW25N60BF,CSSX65M380B,CSBC15N60B,CSVX5N50CCFD,CSSW60M043CFD,CSGJ10R7,CSBW25N120BF,CSHVIC75,CSVX12N60B,CSCC6N120A,CSVA11N70,CSTO3N60,CSBX10N65EF,CSFF300R12KBF,CSSX70M1K,CSVX2N65B,CSSX60M160CFD,CSSS600D120Z2MW,CSSD100D120Z2QN,CSVX4N150D,CSSS1000D170C3XN,CSSX70M420B,CSFB600R12DBF,CSBA15N60B,CSFF300R12KB,CSSX65M1K6,CSVA13N50F,CSBL75N120BF,CSSX60M760,CSSX60M082,CSFF100R12RBF,CSFP15R12WBF,CSFF150R07RBF,CSGC20R170,CSRT60U30B,CSSX65M650,CSSX70M290,LPHVIC2A

选型指南 - 芯际探索 - 2023/10/13 PDF 中文下载

罗姆携碳化硅和氮化镓等宽禁带半导体亮相2024 PCIM Asia，并分享最新功率电子技术成果

全球知名半导体制造商罗姆（总部位于日本京都市）于8月28日～30日参加在深圳国际会展中心（宝安新馆）举办的2024深圳国际电力元件、可再生能源管理展览会（展位号：11号馆D14）。展会上，罗姆聚焦碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带半导体，展示其面向工业设备和汽车领域的丰富产品阵容及解决方案。

厂牌及品类发布时间 : 2024-09-07

不带铜底板IGBT功率模块的散热设计

不带铜底板的IGBT模块已经成为模块封装发展的一个趋势，本文通过大量仿真及实验数据，介绍了Vincotech公司推出的预涂高性能导热硅脂服务对模块散热的改善效果。

设计经验发布时间 : 2016-04-15

捷捷微电（JieJie Microelectronics）IGBT/SIC功率器件选型指南

目录- IGBT SiC

型号- JJE75N120HAL,JJM80N120ADC,JJE6N65STP,JJE40N120SEP,JJE75N65HEL1,JJM25N120ADC,JJA20N65SC,JJE10N65SCP,JJM40N120ADC,JJE60N65HEL1,JJA20N65SE,JJE40N120HEL,JJE75N65HCL,JJE75N65HEL,JJE40N65HEP,JJE50N65HEP,JJA20N65SS,JJE10N65SSP,JJE60N65HEL,JJE40N65HEL,JJE50N65HEL

选型指南 - 捷捷微电 - 2023/6/27 PDF 中文下载