高い電圧に耐える仕組み：パワー半導体の耐圧

パワー半導体が高い電圧に耐える仕組みを説明する。耐圧の意味、逆向きの電圧で広がる空乏層、強い電界で起きるなだれ、厚く不純物の少ない層で電圧を受け持つ考え方、チップの端の電界を和らげる構造、耐圧と電気の通りやすさのつり合いを扱う。

耐圧とは

パワー半導体は、スイッチが切れているとき、高い電圧がかかる。電気自動車のモーターを動かす回路では、切れているスイッチの両端に、高い電圧がかかり続ける。そのとき、電流を漏らさずに、電圧を受け止めなければならない。壊れずに受け止められる電圧の限度を、耐圧と呼ぶ。

製品には、耐圧が定格として示される。実際に使うときは、定格に対して余裕を持たせる。電源の電圧の揺れや、切り替えのときに生じる一時的な高い電圧にも、耐える必要があるからである。論理回路のトランジスタは、低い電圧で動くので、耐圧は大きな問題にならない。パワー半導体では、耐圧が設計の中心になる。

逆向きの電圧と、空乏層

基礎の分野で学んだとおり、pn接合には、電流を流す向きと、流さない向きがある。電流を流さない向き（逆向き）に電圧をかけると、接合の近くで、電気を運ぶ電子と正孔が遠ざけられる。電気を運ぶ粒がいなくなった領域が、空乏層である。

空乏層は、電気を通さない。逆向きの電圧を大きくすると、空乏層は広がる。かけた電圧は、空乏層が受け持つ。空乏層の内部には、電界（電気の力）が生まれ、電圧が高いほど、電界は強くなる。

強い電界で、何が起きるか

電界が強くなりすぎると、半導体の中の電子が、電界で加速されて、勢いよく動く。その電子が、原子にぶつかって、ほかの電子をはじき出す。はじき出された電子も加速され、さらに別の電子をはじき出す。これが連鎖して、電子と正孔が雪崩のように増え、急に大きな電流が流れる。この現象を、なだれ降伏、または絶縁破壊と呼ぶ。

耐圧は、この現象が起きない範囲の電圧である。材料によって、耐えられる電界の強さには限りがあり、その限りが、耐圧の上限を決める。

厚くて、不純物の少ない層で受け止める

高い電圧を受け止めるには、電界が限りを超えないように、電圧を、厚い層に広げて受け持たせればよい。空乏層は、不純物が少ない側ほど、広く伸びる。そこで、パワー半導体は、不純物の濃度が低い層を、厚く設ける。

たとえば、層が薄いと、すぐに空乏層が端まで届いて、電圧を受け止めきれない。耐圧を高くしたければ、低濃度の層を厚くする。この層は、ウェーハの上にエピタキシャル成長で作ることが多い。厚さと濃度を、細かく制御できるからである。

耐圧と、電気の通りやすさのつり合い

層を厚くし、不純物を少なくすると、耐圧は上がるが、スイッチが入っているときに、電流が通りにくくなる。通りにくいと、入のときの損失が大きくなり、熱が出る。耐圧を高くするほど、入のときの抵抗は、急に大きくなる。

つまり、耐圧を上げることと、電気を通りやすくすることは、両立しにくい。設計では、必要な耐圧に対して、できるだけ電気を通りやすい構造を探す。同じ耐圧なら、通りやすいほうが、損失が少なく、優れている。この考え方は、材料の違いを理解するうえで大切である。

チップの端で、電界が集中する

実際のチップには、端がある。端では、電界が曲がったり、集まったりして、内部よりも強くなりやすい。強くなった場所から先に絶縁破壊が起きると、チップ全体の耐圧が下がってしまう。

そこで、チップの端のまわりに、電界をゆるやかに広げる構造を作る。たとえば、端のまわりに、環状の領域を何重かに設けたり、電極を端の外側へ張り出したりする。これらを、終端構造と呼ぶ。終端構造は、内部の構造とあわせて、耐圧を左右する。

製造で、耐圧が決まる

耐圧は、設計だけでなく、製造の出来にも左右される。結晶の欠陥や、表面の汚れ、膜の厚さのむらがあると、そこに電界が集中して、設計よりも低い電圧で壊れる。パワー半導体では、欠陥の少ない結晶や、清浄な表面が、特に求められる。

不純物を打ち込む量や深さも、精密に制御する。完成したチップには、高い電圧をかけて、漏れる電流を測る試験を行い、耐圧を確かめる。

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