耐圧20,000ボルト(世界最高)の半导体素子を実现

耐圧20,000ボルト(世界最高)の半导体素子を実现

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用语解説

厂颈颁(シリコンカーバイド、炭化珪素)

シリコン(珪素)と炭素(ダイヤモンド)の1:1の化合物である。原子间の结合力が强く、絶縁破壊や高温に强い半导体材料である。その优れた性质を活かせば、革新的な高性能パワーデバイス(电力用半导体素子)を実现できると期待され、日米欧で研究开発が活発化している。近年の研究开発の进展により、600~1,700ボルト级の素子の実用化が始まっている。我が国においても、内阁府が主导した「最先端研究开発支援プログラム」30课题のうちの一つに选ばれ、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、大型の高品质结晶が容易に得られる半导体として、1970年に半导体の主流となった。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。例外として、発光ダイオードや半导体レーザなどの光デバイス、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、厂颈の物性(材料の特性)から理论的に予测される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ために、新しい半导体材料が待望されている。

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の反対なので逆変換器)。また、このように電力を自在な形態に操り、負荷(モータ、電源など)に最適な電力を供給する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、比較的大電流、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、あるいはパワーデバイス)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、电力変换の度に約10%の電力が熱として捨てられている。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。

整流素子、笔颈狈ダイオード

アノード(陽極)、カソード(陰極)の二端子からなり、アノード側に正電圧を印加したときには通電し、逆方向に電圧を印加した場合は電流を流さない素子を整流素子と呼ぶ。交流→直流変換だけでなく、様々な电力変换器に用いられる。一般に、整流素子は、金属/半導体界面の機能を活用するショットキー障壁ダイオード(SBD)と、p型/高純度領域/n型半導体の多層構造を活用するPiNダイオードに分類される。ショットキー障壁ダイオードは、比較的低電圧?高周波応用、PiNダイオードは高電圧?低周波応用に適している。様々な电力変换器を構成するためには、同じ耐圧と同じ通電機能(定格電流)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較すると、整流素子の方が構造、動作原理ともにシンプルである。特に、PiNダイオードは、あらゆる電力用半導体素子の基本構造となる。