電力を操る：パワー半導体

電気の形を変えたり、流れる量を調整したりするパワー半導体の役割と、スイッチを速く入切して電力を変換する仕組み、高い電圧に耐えるための縦型の構造と材料の違いを説明する。

情報ではなく、電力を扱う半導体

ここまでのページで見てきたトランジスタは、0と1の情報を扱うためのものだった。小さな電圧で、小さな電気を、とても速く切り替える。

半導体には、もう一つの大きな使い道がある。モーターを回す、電池を充電する、家庭のコンセントの交流を機器の中で使う直流に変える、といった、電力そのものを扱う使い道である。このための半導体を「パワー半導体」と呼ぶ。

パワー半導体は、電気自動車や電車のモーターの制御、太陽光発電の電気を送電網へ送る装置、エアコンや冷蔵庫、パソコンの電源など、電気を使う多くの機器に入っている。

スイッチを速く入切して、電気の形を変える

電気の形を変えるといっても、パワー半導体がしていることは、基本的には「スイッチの入と切」である。

たとえば、電池の直流から、モーターを回す交流を作る装置（インバーター）を考える。直流は、向きも大きさも一定の電気である。これをスイッチで細かく入れたり切ったりすると、電気が流れる時間と止まる時間が交互に並ぶ。入の時間を長くしたり短くしたりしながら並べ、向きも切り替えると、平均すると波のように大きさと向きが変わる電気になる。これが交流の代わりとして働く。

入と切の時間の割合を変えれば、平均の電圧も変えられる。電圧を上げ下げする装置も、同じ考え方で作られている。

なぜスイッチで変換するのか

電気の量を調整するだけなら、途中に抵抗を入れて、余分な電気を熱として捨てる方法もある。しかし、この方法では、捨てた分の電力が無駄になり、機器も熱くなる。

理想的なスイッチは、入のときには電気を抵抗なく通し、切のときにはまったく通さない。どちらの状態でも、スイッチ自身はほとんど電力を使わない。そのため、スイッチの入切で電力を変換すると、無駄を小さくできる。

実際のパワー半導体は理想どおりではない。入のときにもわずかな抵抗があり、通る電気の分だけ熱が出る。これを「導通損失」と呼ぶ。また、入から切、切から入へ切り替わる途中にも電力を失う。これを「スイッチング損失」と呼ぶ。この二つの損失を小さくすることが、パワー半導体の開発の中心になっている。

求められる性質は、論理回路とは違う

パワー半導体には、論理回路のトランジスタとは違う性質が求められる。

一つ目は、高い電圧に耐えることである。切のときには、スイッチの両端に大きな電圧がかかる。それでも電気を通さずに持ちこたえる必要がある。

二つ目は、大きな電気を少ない損失で通すことである。入のときの抵抗が小さいほど、熱が出にくい。

三つ目は、熱に強いことである。損失はゼロにはならないので、出た熱をうまく外へ逃がし、高い温度でも壊れずに動く必要がある。

このため、パワー半導体では、回路をどこまで細かくできるかよりも、耐えられる電圧、損失の小ささ、熱への強さが重視される。

電気を縦に流す構造

論理回路のMOSFETは、ウェーハの表面に沿って、ソースからドレインへ電気を横に流す。パワー半導体の多くは、これと違い、ウェーハの表側から裏側へ、電気を縦に流す形をしている。表側にソースとゲート、裏側にドレインを置く。

縦に流す形にすると、チップの面積全体を電気の通り道に使えるので、大きな電気を流しやすい。また、表と裏の間に、ドーパントを薄く入れた層を厚めに作ると、切のときにこの層が電圧を受け止め、高い電圧に耐えられる。ただし、この層を厚くするほど、入のときの抵抗は大きくなる。耐える電圧と、入のときの抵抗は、引っ張り合う関係にある。

パワー半導体の代表的な部品には、パワーMOSFET、IGBT、ダイオードがある。パワーMOSFETは、切り替えが速いのが特徴である。IGBTは、MOSFETの仕組みに別の構造を組み合わせ、高い電圧で大きな電気を流すのに向く。ダイオードは、電気の向きをそろえるのに使う。

材料の違い：シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム

パワー半導体の材料は、シリコンが基本である。そのほかに、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）を使うものもある。

炭化ケイ素や窒化ガリウムは、電子を動ける状態にするのに必要なエネルギーが、シリコンより大きい材料である。このような材料は、強い電圧をかけても壊れにくい。そのため、同じ電圧に耐えるのに、電圧を受け止める層を薄くでき、入のときの抵抗を小さくできる。高い温度でも動きやすく、速い切り替えにも向く。

一方で、結晶を作るのが難しく、ウェーハや製造の費用が高くなりやすい。どの材料を使うかは、扱う電圧や電気の大きさ、切り替えの速さ、費用によって選ばれる。

製造工程とのつながり

パワー半導体も、ウェーハの上に、成膜、リソグラフィ、エッチング、イオン注入などの工程で作る。電気を縦に流す形では、ウェーハを薄く削る工程や、裏側に電極を付ける工程も重要になる。

大きな電気を流し、熱を出すため、パッケージの役割も大きい。チップの熱を外へ逃がしやすく、大きな電気を流せる配線と、高い電圧に耐える絶縁が求められる。複数のチップを一つにまとめたものは「パワーモジュール」と呼ばれる。

このページのまとめ

パワー半導体は、電力を扱う半導体である。スイッチを速く入切し、入の時間の割合を変えることで、直流と交流の変換や電圧の調整を、少ない無駄で行う。高い電圧に耐え、損失が小さく、熱に強いことが求められ、多くは電気を縦に流す構造をしている。材料にはシリコンのほか、炭化ケイ素や窒化ガリウムも使われる。