パワー半導体デバイス

パワー半導体デバイスは、パワーエレクトロニクス（スイッチング電源など）においてスイッチまたは整流器として使用される半導体デバイスです。このようなデバイスはパワーデバイスとも呼ばれ、集積回路内で使用される場合はパワーICとも呼ばれます。

パワー半導体デバイスは通常、「整流モード」（つまり、オンまたはオフ）で使用されるため、このような使用に最適化された設計になっています。通常、リニア動作では使用しないでください。リニア電源回路は、電圧レギュレータ、オーディオ アンプ、無線周波数アンプとして広く使用されています。

パワー半導体は、ヘッドフォンアンプ用の数十ミリワットから、高電圧直流伝送ラインの約 1 ギガワットまでを供給するシステムに使用されています。

電力回路に使用された最初の電子デバイスは電解整流器であり、初期のバージョンは1904年にフランスの実験者A.ノドンによって記述されました。これらはアルミニウム板と家庭用化学薬品で即席に作ることができるため、初期の無線実験者の間で一時的に人気がありました。耐電圧が低く、効率が限られていました。^[1]

最初の固体電力半導体デバイスは、1927年にLO GrundahlとPH Geigerによって発表された、初期のバッテリー充電器や無線機器の電源に使用された酸化銅整流器でした。^[2]

最初のゲルマニウムパワー半導体デバイスは、1952年にRNホールによるパワーダイオードの導入によって登場しました。このデバイスは、逆電圧阻止能力が200V 、電流定格が35Aでした。

1952年頃には、かなりの電力処理能力（コレクタ電流100mA）を持つゲルマニウムバイポーラトランジスタが導入されました。基本的には信号デバイスと同じ構造ですが、ヒートシンクが優れています。電力処理能力は急速に進化し、1954年までには100ワットの消費電力を持つゲルマニウム合金接合トランジスタが利用可能になりました。これらはすべて比較的低周波のデバイスで、最大約100kHz、最大接合温度85℃で使用されました。^[3]シリコンパワートランジスタは1957年まで製造されませんでしたが、利用可能になったときにはゲルマニウムデバイスよりも周波数応答が優れており、最大150℃の接合温度で動作できました。

サイリスタは1957 年に登場しました。サイリスタは非常に高い逆破壊電圧に耐えることができ、大電流を流すこともできます。しかし、スイッチング回路におけるサイリスタの欠点の 1 つは、導通状態で「ラッチオン」になると、サイリスタのターンオフは受動的であるため、外部制御によってオフにできないことです。つまり、デバイスから電源を切断する必要があります。ターンオフできるサイリスタはゲートターンオフサイリスタ(GTO) と呼ばれ、1960 年に導入されました。^[4]これらは、印加信号によってオンまたはオフにできるため、通常のサイリスタのいくつかの制限を克服しました。

MOSFETは1955年から1960年にかけてベル研究所で発明されました^{[5] [6] [7] [8] [9] [10]。MOSFET}トランジスタの世代により、電力設計者はバイポーラトランジスタでは不可能だった性能と密度のレベルを達成できるようになりました。^{[11] MOSFET技術（当初は}集積回路の製造に使用されていました）の改良により、パワーMOSFETは1970年代に利用可能になりました。

1969年、日立は最初の縦型パワーMOSFETを発表しました。 ^[12]これは後にVMOS（V溝MOSFET）として知られるようになります。^[13] 1974年から、ヤマハ、日本ビクター、パイオニア、ソニー、東芝はパワーMOSFETを使用したオーディオアンプの製造を開始しました。^[14]インターナショナル・レクティファイアーは1978年に25A、400VのパワーMOSFETを発表しました。^[15]このデバイスはバイポーラトランジスタよりも高い周波数で動作できますが、低電圧アプリケーションに限定されます。

絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ(IGBT) は 1980 年代に開発され、1990 年代に広く普及しました。このコンポーネントは、バイポーラ トランジスタの電力処理能力と、パワー MOSFET の絶縁ゲート ドライブの利点を備えています。

一般的な電力デバイスには、パワー MOSFET、パワーダイオード、サイリスタ、IGBT などがあります。パワーダイオードとパワー MOSFET は、低電力デバイスと同様の原理で動作しますが、より大きな電流を流すことができ、通常はオフ状態でより大きな逆バイアス電圧に耐えることができます。

パワー デバイスでは、より高い電流密度、より高い電力消費、および/またはより高い逆ブレークダウン電圧に対応するために、構造変更が頻繁に行われます。ディスクリート(つまり、非統合型) パワー デバイスの大部分は垂直構造を使用して構築されますが、小信号デバイスは横型構造を採用しています。垂直構造では、デバイスの電流定格はその面積に比例し、電圧ブロック機能はダイの高さで実現されます。この構造では、デバイスの接続の 1 つが半導体ダイの底部にあります。

パワーMOSFETは、ゲート駆動電力が低く、スイッチング速度が速く、並列処理能力が優れていることから、世界で最も普及しているパワーデバイスです。^[16]携帯情報機器、パワー集積回路、携帯電話、ノートパソコン、インターネットを実現する通信インフラなど、幅広いパワーエレクトロニクスの用途があります。^[17] 2010年現在、パワーMOSFETはパワートランジスタ市場の大部分（53%）を占めており、次いでIGBT（27%）、RFアンプ（11%）、バイポーラ接合トランジスタ（9%）となっています。^[18]

電源デバイスは、次のいずれかの主なカテゴリに分類できます (図 1 を参照)。

• 2 端子デバイス (例:ダイオード)。その状態は、接続されている外部電源回路に完全に依存します。
• 3 端子デバイス (例:三極管)。その状態は、外部電源回路だけでなく、駆動端子 (この端子はゲートまたはベースと呼ばれます) の信号にも依存します。
• 4端子デバイス（例：シリコン制御スイッチ -SCS）。SCSは4層と4端子（アノード、アノードゲート、カソードゲート、カソード）を持つサイリスタの一種です。端子はそれぞれ第1層、第2層、第3層、第4層に接続されています。^[23]

もう 1 つの分類はそれほど明白ではありませんが、デバイスのパフォーマンスに大きな影響を与えます。

• 多数キャリアデバイス（ショットキーダイオード、MOSFET など）。1 種類の電荷キャリアのみを使用します。
• 少数キャリアデバイス（サイリスタ、バイポーラトランジスタ、IGBT など）。多数キャリアと少数キャリア（電子と正孔）の両方を使用します。

多数キャリアデバイスは高速ですが、少数キャリアデバイスの電荷注入によりオン状態のパフォーマンスが向上します。

理想的なダイオードには次の特性が必要です。

• 順方向バイアスの場合、ダイオードを流れる電流に関係なく、ダイオードの端子間の電圧はゼロになります (オン状態)。
• 逆バイアスの場合、電圧に関係なく、漏れ電流はゼロになります (オフ状態)。
• オン状態とオフ状態の間の遷移（または整流）は瞬時に行われる必要があります。

実際には、ダイオードの設計は、オン状態、オフ状態、および整流におけるパフォーマンスの間でトレードオフになります。実際、デバイスの同じ領域がオフ状態でブロッキング電圧を維持し、オン状態で電流を流す必要があります。2 つの状態の要件は完全に反対であるため、ダイオードはどちらか一方に最適化するか、1 つの状態から別の状態に切り替える時間を確保する必要があります (つまり、整流速度を下げる必要があります)。

これらのトレードオフはすべてのパワーデバイスで同じです。たとえば、ショットキーダイオードはスイッチング速度とオン状態でのパフォーマンスに優れていますが、オフ状態ではリーク電流が高くなります。一方、PIN ダイオードはさまざまな整流速度 (いわゆる「高速」および「超高速」整流器) で市販されていますが、速度が上がると必然的にオン状態でのパフォーマンスが低下します。

スイッチの場合も、電圧、電流、周波数定格の間にトレードオフが存在します。実際、すべてのパワー半導体は、電圧を維持するために PIN ダイオード構造に依存しています。これは図 2 に示されています。パワー MOSFET は多数キャリア デバイスの利点を備えているため、非常に高い動作周波数を実現できますが、高電圧で使用することはできません。これは物理的な制限であるため、最大電圧定格に関するシリコンMOSFETの設計の改善は期待できません。ただし、低電圧アプリケーションでの優れたパフォーマンスにより、電圧が 200 V 未満のアプリケーションでは最適なデバイス (実際には現在のところ唯一の選択肢) となっています。複数のデバイスを並列に配置すると、スイッチの電流定格を増やすことができます。MOSFET は、その正の熱抵抗係数によって個々のデバイス間の電流のバランスが取れる傾向があるため、この構成に特に適しています。

IGBTは最近のコンポーネントであるため、技術の進化に伴って定期的に性能が向上しています。すでに電力アプリケーションではバイポーラ トランジスタに完全に取って代わっています。複数の IGBT デバイスを並列に接続したパワー モジュールが利用可能で、数メガワットまでの電力レベルで魅力的であり、サイリスタとGTOが唯一の選択肢となる限界をさらに押し上げています。基本的に、IGBT はパワー MOSFET によって駆動されるバイポーラ トランジスタです。少数キャリア デバイス (高電圧デバイスでもオン状態で優れた性能を発揮) であることと、MOSFET の高い入力インピーダンス (非常に低い電力でオンまたはオフに駆動できる) という利点があります。

低電圧アプリケーションにおける IGBT の主な制限は、オン状態 (2 ～ 4 V) での電圧降下が大きいことです。MOSFET と比較すると、IGBT の動作周波数は比較的低く (通常 50 kHz 以下)、これは主にターンオフ時に発生する電流テールと呼ばれる問題によるものです。ターンオフ時に伝導電流がゆっくりと減衰するのは、伝導時に IGBT の厚い「ドリフト」領域に溢れる多数のキャリアがゆっくりと再結合するためです。結果として、IGBT のターンオフ スイッチング損失 [de]は、ターンオン損失よりもかなり高くなります。一般に、データシートでは、ターンオフ エネルギーは測定パラメータとして記載されています。ターンオフ損失を見積もるには、その数値に対象アプリケーションのスイッチング周波数を掛ける必要があります。

非常に高い電力レベルでは、サイリスタベースのデバイス（SCR、GTO、MCTなど）が依然としてよく使用されます。このデバイスは、駆動回路によって提供されるパルスによってオンにできますが、パルスを除去してもオフにすることはできません。サイリスタは、電流が流れなくなるとすぐにオフになります。これは、交流システムではサイクルごとに自動的に発生しますが、デバイスの周りに電流を迂回させる手段を備えた回路が必要です。MCTとGTOはどちらもこの制限を克服するために開発されており、電力分配アプリケーションで広く使用されています。

スイッチモードのパワー半導体の用途としては、ランプ調光器、スイッチモード電源、電磁調理器、自動車点火システム、あらゆるサイズの AC および DC 電気モーター駆動装置などがあります。

アンプは、デバイスの電流と電圧の両方がゼロではないアクティブ領域で動作します。その結果、電力は継続的に消費され、その設計は半導体デバイスから余分な熱を取り除く必要性によって左右されます。パワーアンプデバイスは、デバイスのマウントに使用されるヒートシンクによって識別されることがよくあります。バイポーラ接合トランジスタ、垂直MOS電界効果トランジスタなど、複数のタイプのパワー半導体アンプデバイスが存在します。個々のアンプデバイスの電力レベルは数百ワットに及び、周波数制限は低マイクロ波帯域にまで及びます。2つのチャネルと数十ワットの電力定格を備えた完全なオーディオパワーアンプは、機能するためにいくつかの外部受動部品のみを必要とする小さな集積回路パッケージに収めることができます。アクティブモードアンプのもう1つの重要な用途は、線形安定化電源です。これは、アンプデバイスを電圧レギュレータとして使用して、負荷電圧を所​​望の設定に維持する場合です。このような電源は、スイッチングモード電源よりもエネルギー効率が低い場合がありますが、アプリケーションの単純さから、特に約1アンペアまでの電流範囲で人気があります。

1. ブレークダウン電圧: 多くの場合、ブレークダウン電圧定格とオン抵抗の間にはトレードオフがあります。これは、より厚く、より低ドープのドリフト領域を組み込むことでブレークダウン電圧を上げると、オン抵抗が高くなるためです。
2. オン抵抗: 電流定格が高いほど、並列セルの数が増えるためオン抵抗は低くなります。これにより全体の静電容量が増加し、速度が低下します。
3. 立ち上がり時間と立ち下がり時間: オン状態とオフ状態を切り替えるのにかかる時間。
4. 安全動作領域: これは熱放散と「ラッチアップ」に関する考慮事項です。
5. 熱抵抗: これはしばしば無視されますが、実際の設計の観点からは極めて重要なパラメータです。半導体は高温では性能が低下しますが、大電流伝導のため、パワー半導体デバイスは必ず発熱します。したがって、このようなデバイスは継続的に熱を除去して冷却する必要があります。パッケージングとヒートシンクの技術は、熱を外部環境に伝導して半導体デバイスから熱を除去する手段を提供します。一般に、大電流デバイスはダイとパッケージの表面積が大きく、熱抵抗が低くなります。

パッケージの役割は次のとおりです。

• ダイを外部回路に接続します。
• デバイスによって発生した熱を除去する方法を提供します。
• 金型を外部環境（湿気、ほこりなど）から保護します。

パワーデバイスの信頼性の問題の多くは、過度の温度または熱サイクルによる疲労に関連しています。現在、以下のトピックについて研究が行われています。

• 冷却性能。
• パッケージの熱膨張係数をシリコンの熱膨張係数に厳密に一致させることにより、熱サイクルに対する耐性を実現します。
• 包装材の最大動作温度。

パッケージの寄生インダクタンスの低減など、電気的な問題に関する研究も進行中です。このインダクタンスは整流中に損失を生成するため、動作周波数を制限します。

低電圧 MOSFET は、固有のオン状態抵抗が 1 ミリオームまたは 2 ミリオームと低いため、パッケージの寄生抵抗によっても制限されます。

最も一般的なタイプのパワー半導体パッケージには、TO-220、TO-247、TO-262、TO-3、D ² Pak などがあります。

IGBT の設計はまだ開発中であり、動作電圧の増加が期待できます。高出力範囲では、MOS 制御サイリスタが有望なデバイスです。スーパー ジャンクション電荷バランス原理を採用することで、従来の MOSFET 構造を大幅に改善しました。基本的に、パワー MOSFET の厚いドリフト領域を高濃度にドープできるため、ブレークダウン電圧を損なうことなく電子の流れに対する電気抵抗を減らすことができます。これは、反対のキャリア極性 (正孔) で同様にドープされた領域と並置されます。これら 2 つの類似しているが反対にドープされた領域は、移動電荷を効果的に打ち消し、オフ状態で高電圧をサポートする「空乏領域」を形成します。一方、オン状態では、ドリフト領域の高ドープによりキャリアが容易に流れ、オン抵抗が減少します。このスーパー ジャンクション原理に基づく商用デバイスは、Infineon (CoolMOS 製品) やInternational Rectifier (IR) などの企業によって開発されています。

パワー半導体デバイスにおける大きな進歩は、シリコンをワイドバンドギャップ半導体に置き換えることで期待されています。現時点では、シリコンカーバイド(SiC) が最も有望であると考えられています。ブレークダウン電圧が 1200 V の SiC ショットキーダイオードは、1200 V JFETと同様に市販されています。どちらも多数キャリアデバイスであるため、高速で動作できます。バイポーラデバイスは、より高い電圧 (最大 20 kV) 向けに開発されています。その利点の 1 つは、シリコンカーバイドは高温 (最大 400 °C) で動作できることと、シリコンよりも熱抵抗が低いため、冷却が優れていることです。

• オーディオパワーアンプ
• LDMOS
• 電源管理集積回路
• パワーMOSFET
• 高周波CMOS
• RFパワーアンプ

• Baliga, B. Jayant (1996). Power Semiconductor Devices . ボストン: PWS 出版会社. ISBN 0-534-94098-6。
• Jain, Alok (2006)。パワーエレクトロニクスとその応用。ムンバイ: Penram International Publishing。ISBN 81-87972-22-X。
• Semikron : IGBT および MOSFET パワーモジュールのアプリケーションマニュアル、第 2 版、2015 年、ISLE Verlag、ISBN 978-3-938843-83-3 PDF バージョン 
• アーレント・ヴィントリヒ;ウルリッヒ・ニコライ;ヴェルナー・トゥルスキー; Tobias Reimann (2010)、Applikationshandbuch 2015 (PDF) (ドイツ語) (2 版)、ISLE Verlag、ISBN 978-3-938843-83-3
• アーレント・ヴィントリヒ;ウルリッヒ・ニコライ;ヴェルナー・トゥルスキー;トビアス・ライマン (2015)。アプリケーションマニュアル 2015 (PDF) (第 2 版)。アイル・ヴァーラグ。ISBN 978-3-938843-83-3。

• パワー半導体デバイスのレビュー
• インタラクティブパワーエレクトロニクスセミナー（iPES）