次世代半導体材料による 省エネルギーエレクトロニクス 名古屋工業大学 電気電子工学科 加藤 正史 http://araiweb.elcom.nitech.ac.jp/ 電力用半導体素子の応用 • 応用分野は – 配電系統 – 電車 – 工場の動力モータ – ハイブリッド・電気自動車 – エアコンなど家電 半導体素子で上記の電力制御している その技術をパワーエレクトロニクス（パワ エレ）と呼ぶ 電力変換 • 例：家庭用交流電圧を直流電圧にする回路 電力用ダイオード 電力用トランジスタ AC100V DC ?V L L L L 全波整流 全波整流 周波数変換 身近な電力変換 ACアダプタ ACをDCに変換 エアコン・冷蔵庫のインバータ コンプレッサのモータを動かす 電気自動車・電車のモータインバータ 電車のウィーンという音はインバータ音 これらも電力用半導体素子・パワエレを利用 電力用半導体素子への要求 大電圧（AC100V等）に耐える 必須条件 200 抵抗が高いと電力ロス・熱が 発生 耐熱・放熱性が良い 高温になると壊れるため 信頼性が高い Voltage (V) 電気抵抗が低い ピークは141V 100 正負で283V 0 -100 -200 AC100Vの場合 耐圧は余裕を見て倍 約600V すぐに壊れるようではダメ シリコンはこれらの要求を満たす シリコンの諸特性 バンドギャップ 1.1 eV 値が大きいほうが高温で動作 絶縁破壊電界 0.3 MV/cm 値が大きいほうが高電圧に耐える 熱伝導度 1.5 W/cm/K 値が大きいほうが放熱が良い 他の従来材料に比べて、これらの特性が電力用に適す 電力用素子の例：ダイオード 電流 印加電圧V アノード 逆電圧VR 順電圧VF 電圧 カソード アノードに正電圧印加の時のみ電流 この特性が必要：整流 大きな負電圧を印加すると急激な逆電流 降伏現象 起こしたくない現象 エネルギーバンド図でダイオードの動作原理を説明できる 半導体のエネルギーバンド 電子エネルギー ここに電子があると電流が流れる + 伝導帯端 電子の分布を示す線 フェルミ準位 伝導帯の電子一個につきバ ンドギャップ中に正電荷一つ 電子が存在できないバンドギャップ シリコンではEg=1.1eV 価電子帯端 ここには電子が詰まっているが、一般的に図では省略される 伝導帯に電子を導入することで電気伝導を起こす（n型） 金属では 電子エネルギー フェルミエ準位 電子は自由に動くことができる フェルミ準位より下では電子が詰まっている ダイオードのエネルギーバンド図 電子エネルギー ショットキー障壁 + 電極 フェルミ準位 - ++ シリコン 電子 + ++ + + + ++ + + 電荷 位置 アノード 金属 電極 カソード シリコン ショットキーバリアダイオードの場合 電圧を印加しない場合 電極とシリコンのフェルミ準位差をなくすため電荷が分布 電荷密度分布 + 電極 - シリコン ++ ++ + + + ++ + + 電荷 電荷密度 正電荷 位置 負電荷 正電荷が金属/半導体界面から一定の密度で存在 シリコンの内部は電子の負電荷と相殺 電界分布 + - ++ ++ + + + ++ + + 電荷密度 電界 ポアソンの方程式 E: 電界 x: 位置 ρ: 電荷密度 ε: 誘電率 位置 電界は電荷密度の積分 三角の形の電界分布 順電圧印加時 電極側に正電圧 印加電圧VF 電荷密度 ++ + ++ + ++ + + 電荷分布が狭まる 電界 電界のピークが小さくなる 位置 電界が減り、電子は電極側に流れる 大きな順電流 逆電圧印加時 電極側に負電圧 印加電圧VR + - ++ -++ + ++ ++ + + - ++ + + 電極シリコンの界面のエネルギー差が大きくなる 電極側からシリコン側へ電子は移動できない 逆電流が流れない 整流 逆電圧印加時の電界 印加電圧VR 電荷密度 + - ++ -++ + ++ ++ + + - ++ + + 電荷分布が広がる 電界 電界のピークが大きくなる 位置 広がった電荷分布により界面の電界が大きくなる ダイオードの降伏 シリコンの絶縁破壊電界 0.3 MV/cm 電界 位置 電界のピークが絶縁破壊電界を超えると降伏 大きな逆電流 解決策 降伏が起こらないような電圧で使う 高い電圧では使えない シリコン中の電荷密度を下げる 高い電圧でも使える 電荷密度を下げた場合 + 電極 電荷密度 電界 - 電子が減り 電気抵抗が上がる シリコン + + + + + 電荷 この面積が電圧に対応 底辺が長くなるので電圧が多くても ピークは低くなる 位置 降伏は起こりにくくなるが、電気抵抗が上がる 低い抵抗・高い降伏電圧の両立 シリコンカーバイド・窒化ガリウム の絶縁破壊電界 2～3 MV/cm シリコンの絶縁破壊電界 0.3 MV/cm 電界 位置 次世代半導体材料の絶縁破壊電界を利用 同じ耐電圧で低抵抗（低消費電力）の素子が可能 ダイオード以外の素子も同様 次世代半導体材料の諸特性 シリコンカーバイド、窒化ガリウム（SiC,GaN） バンドギャップ 3 eV付近 シリコンの3倍 250℃程度の高温でも動作 絶縁破壊電界 2～3 MV/cm シリコンの10倍の電界に耐える 熱伝導度 1.5～4.5 W/cm/K シリコンの１～３倍 シリコンカーバイドは高い放熱性 理論性能 Si CoolMOS 2 オン抵抗 (mΩcm ) 100 Si 10 1 100 Si IGBT 1000 耐圧 (V) 3C-SiC 4H-SiC GaN 10000 図の右下の方が低消費電力、大電圧 SiC,GaNにより飛躍的性能向上 技術の歴史 ・シリコンのエレクトロニクス技術 1940年代に発見、1950年代に実用化 ・SiCのエレクトロニクス技術 1980年代に結晶基板、2000年代に実用化 ・GaNのエレクトロニクス技術 1980年代に結晶基板、1990年代にLED実用化 2000年代に電波発振機実用化 SiC,GaN技術はまだ成長段階 SiC、GaN素子によるメリットの実例 SiC素子による省エネエアコンの市販 エアコンシステムで６％の電力削減 電気自動車ホイールモータへの実装試験 自動車内部スペースの簡略化 ノートPCのACアダプタへの実装試験 耐熱性向上による小型・軽量化 現在、毎月のように新しい展開が発表 SiC,GaN素子の省エネ効果予測 2003年時点での予測 2020年における省電力効果28.61TWh/年 2005年の我が国の総電力消費 約1000TWh/年 2005年時点の電力消費と比較すると 約2.9%の省電力効果 我が国の省エネ技術・基盤産業へ
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