パワー半導体の種類：ダイオード、MOSFET、IGBT

パワー半導体の代表的な部品であるダイオード、パワーMOSFET、IGBTの違いを、電気を運ぶキャリアと、耐える電圧・切り替えの速さの引っ張り合いから説明する。炭化ケイ素・窒化ガリウムの部品の位置も扱う。

三つの代表的な部品

パワー半導体の代表的な部品は、ダイオード、パワーMOSFET、IGBTの三つである（「電力を操る：パワー半導体」のページ）。どれも、電気を縦に流し、ドーパントの少ない厚い層で高い電圧を受け止める点は同じである。違うのは、電気を流すときに、どのキャリアがどのように働くかである。

その違いが、入のときの損失（導通の損失）と、入切を切り替えるときの損失（切り替えの損失）の大きさを決める。このページでは、三つの部品を順に見て、どう使い分けるかを考える。

ダイオード：電気の向きをそろえる

ダイオードは、電気を一方向にだけ流す部品である。パワー半導体では、交流を直流に変える整流や、スイッチを切ったときに電流の逃げ道を作るのに使う。

pn接合のダイオードは、順方向に電流を流すとき、n型の側から電子が、p型の側から正孔が、電圧を受け止める層に流れ込む。層の中に電子と正孔がたくさんたまるので、厚い層でも抵抗が下がる。ところが、切り替えて逆向きの電圧をかけると、たまった電子と正孔を追い出すまでの間、逆向きの電流が一時的に流れる。これを「逆回復」と呼び、切り替えの損失やノイズの原因になる。

ショットキーバリアダイオードは、半導体と金属の接触で一方向に流す部品である。電気を運ぶのは多数キャリア（n型なら電子）だけで、少数キャリアがたまらないので、逆回復がほとんどない。速い切り替えに向くが、シリコンでは高い電圧に耐えにくい。炭化ケイ素で作ると、高い電圧でも使えるショットキーバリアダイオードになる。

パワーMOSFET：速く切り替える

パワーMOSFETは、ゲートにかける電圧で入切を切り替えるトランジスタである。電気を運ぶのは多数キャリアだけなので、切り替えが速く、切り替えの損失が小さい。

一方で、耐える電圧を高くするほど、電圧を受け止める層を厚く、ドーパントを少なくしなければならず、入のときの抵抗が大きく増える。シリコンのパワーMOSFETは、比較的低い電圧で、速く切り替える用途に向く。

IGBT：高い電圧で大きな電流を流す

IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）は、パワーMOSFETの裏側に、p型の層を一枚加えた構造をしている。ゲートで入切を切り替える仕組みはMOSFETと同じである。

入のとき、裏側のp型の層から、電圧を受け止める層に正孔が流れ込む。層の中に電子と正孔がたくさんたまるので、厚い層でも抵抗が大きく下がる。これを「伝導度変調」と呼ぶ。そのため、高い電圧に耐える部品でも、大きな電流を少ない損失で流せる。

その代わり、切るときには、たまった正孔が消えるまで電流が尾を引くように流れ続ける（テール電流）。そのため、MOSFETより切り替えが遅く、切り替えの損失が大きい。IGBTは、高い電圧と大きな電流を、比較的ゆっくり切り替える用途に向く。

使い分けの考え方

使い分けは、扱う電圧と、切り替えの速さで考える。

シリコンでは、比較的低い電圧で速く切り替えるならパワーMOSFET、高い電圧で大きな電流を扱うならIGBT、という使い分けが基本になる。少数キャリアをためると導通の損失は減るが、切り替えの損失は増える。この引っ張り合いが、部品を選ぶ軸である。

炭化ケイ素は、強い電界に耐えられるので、電圧を受け止める層を薄くできる。そのため、多数キャリアだけで動くMOSFETでも、高い電圧で入のときの抵抗を小さくできる。シリコンのIGBTが使われてきた高い電圧の用途で、速く切り替えられる炭化ケイ素のMOSFETに置き換える動きがある。

窒化ガリウムの部品は、電気を横に流す構造のトランジスタ（HEMT）が中心である。とても速く切り替えられ、電源を小さくするのに向く（「通信・信号処理」の分野でも使われる部品である）。

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