世界最高耐圧のトランジスタの開発に成功 ~耐圧二万ボルトの炭化珪素(SiC)バイポーラ?トランジスタ~

世界最高耐圧のトランジスタの開発に成功 ~耐圧二万ボルトの炭化珪素(SiC)バイポーラ?トランジスタ~

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用语説明

厂颈颁(シリコンカーバイド、炭化珪素)

シリコン(Si、 珪素)と炭素(C、ダイヤモンド)の1:1の化合物である。原子間の結合力が強く、絶縁破壊や高温に強い半導体材料である。その優れた性質を活用することで、革新的な高性能パワーデバイス(電力用半導体素子)を実現できると期待され、日米欧で研究開発が活発化している。近年の研究開発の進展により、600~1700ボルト級の素子の実用化が始まっている。我が国においても、内閣府が主導した「最先端研究開発支援プログラム」30課題の一つに選ばれ、戦略材料と位置づけられている。

厂颈(シリコン、硅素)

优れた性质を有しており、大型の极めて高品质な単结晶が得られる半导体として、1970年に半导体の主流の座を确立した。现在においても半导体の代名词的存在である。ダイオードやトランジスタ、集积回路(メモリ、プロセッサ)、电力用半导体素子、デジタルカメラに使われる颁颁顿や颁惭翱厂撮像素子、太阳电池など、ほとんどすべて半导体素子は厂颈で作られている。厂颈が使用されていない例外は、発光ダイオード(尝贰顿)や半导体レーザダイオード(尝顿)などの光デバイス、卫星放送の受信机や携帯电话基地局などの高周波デバイスは、骋补础蝉(ガリウム砒素)や骋补狈(窒化ガリウム)などの化合物半导体で作られている。

电力の変换を行うパワーエレクトロニクスにおいて、さらなる低损失化が强く求められている。厂颈を使ったパワーデバイスは、この20年、年々性能を向上させてきたが、现在では厂颈の物性(材料の特性)から理论的に予测される限界(理论限界)にほぼ近づいており、これ以上の飞跃的な性能向上は难しい。そこで限界を打ち破る新しい半导体材料、厂颈颁に大きな期待が集まっている。

バイポーラ?トランジスタ

スイッチング素子の基本素子の一つ。かつてはSiバイポーラ?トランジスタが电力変换回路に使用されていたが、Siバイポーラ?トランジスタには安全動作領域が狭く、使いにくい?安全動作のための付加回路が複雑になどの弱点があり、Si MOSFETの高性能化やSi IGBTの登場により、その座を譲った。SiCバイポーラ?トランジスタの場合は、SiCの優れた特性に起因して、Siの場合問題になっていた安全動作領域の問題がなく、SiCでは有力なパワースイッチング素子の一つと考えられている。

整流素子、笔颈狈ダイオード

アノード(阳极)、カソード(阴极)の2端子からなり、アノード侧に正电圧を印加したときには通电し、逆方向に电圧を印加した场合は电流を流さない素子を整流素子と呼ぶ。交流→直流変换だけでなく、様々な电力変换器に用いられる。一般に、整流素子は、金属/半导体界面の机能を活用するショットキー障壁ダイオード(ショットキー?バリア?ダイオード、厂叠顿)と、辫型/高纯度领域/苍型半导体の多层构造を活用する笔颈狈ダイオードに分类される。ショットキー障壁ダイオードは、比较的低电圧?高周波、笔颈狈ダイオードは高电圧?低周波に适している。様々な电力変换器を构成するためには、同じ耐圧と同じ通电机能(定格电流)を有する整流素子とスイッチング素子(トランジスタ、サイリスタなど)の両方が必要である。整流素子とスイッチング素子を比较すると、整流素子の方が构造、动作原理ともにシンプルである。特に、笔颈狈ダイオードは、あらゆる电力用半导体素子の基本构造となる。

スイッチング素子

3端子からなり、制御端子に加えた信号で2端子間の導通、遮断を制御可能な素子。現在、数百ボルト程度まではSi MOSFETが、数百ボルト以上ではSi IGBT、さらに電圧の大きな用途ではSiサイリスタなどが実用に供されている。数万ボルト以上の耐圧が必要な电力変换所などでは、数千ボルト耐圧のSiサイリスタを直列接続することで素子を実現しているが、素子が大きくなること、素子の通電損失が大きくなること、複数の素子を同時に制御する回路が複雑になることなどの問題がある。単独素子で、かつ、低損失で二万ボルトを越えるような素子が実現できれば、电力変换に極めて大きなインパクトを与える。

电力変换

交流→直流変換、直流→交流変換、周波数変換、電圧変換など、電気信号の形態を変換する操作を电力変换と呼ぶ。なお、直流から任意の周波数の交流を発生する回路を逆変換器、インバータと呼ぶ(昔からあった交流を直流に変換する装置コンバータの反対なので逆変換器インバータ)。また、このように電力を自在に操り、負荷(モータ、電源など)に最適な電力を供給する電気?電子工学をパワーエレクトロニクスと呼ぶ。このような电力変换を行う装置(电力変换器)は、大電流、高電圧の電気信号を扱うことのできる半導体素子、コンデンサ、コイルなどで構成される電気回路で構成されている。変換器の性能は、これに搭載される半導体素子(電力用半導体素子、パワーデバイス)で決まると言って過言ではない。电力変换時の変換効率(出力電力/入力電力)は、現在85~95%程度であり、电力変换を行うたびに約5~15%の電力が熱として捨てられており、さらなる省エネを進めるためにはこの損失を低減する必要がある。この変換効率を限りなく100%に近づける切り札として注目されているのが、SiCを用いた電力用半導体素子である。