炭化ケイ素トランジスタはますます高で使用されています電圧 これらのアプリケーションのサイズ、重量、効率に関する厳しい要件を満たすことができるため、電力コンバータに最適です。 しかし、これはなぜですか テクノロジー エンジニアにとってそれほど魅力的なのでしょうか？ ブログではいくつかの洞察を提供します。
炭化ケイ素（SiC）の優れた材料特性により、絶縁ゲートバイポーラの代わりに高速スイッチングユニポーラデバイスの設計が可能になります トランジスタ (IGBT) スイッチ。 したがって、600V 以下の低電圧環境でのみ実現可能であったソリューションが、より高い電圧でも可能になります。 その結果、効率が向上し、スイッチング周波数が向上し、熱放散が減少し、スペースが節約され、ひいてはシステム全体のコストも削減されるという利点があります。
インフィニオンテクノロジーズは、ほぼ30年前にこの可能性を特定し、1992年に専門家チームを設立して、高出力の産業用アプリケーション向けのSiCダイオードとトランジスタを開発しました。 それ以降に到達したマイルストーンの短く不完全なリストは次のとおりです。
- 2001年に世界で初めてSiCベースのショットキーダイオードが導入されました
- 2006年にSiCデバイスを含む最初のパワーモジュール
- 現在の第XNUMX世代SiCダイオードのリリース
- 革新的なトレンチCoolSiCの初演に関連して、フィラッハイノベーションファクトリーで150mmウェーハテクノロジーへの完全な切り替え™ モスフェット in 2017
金属酸化物-半導体 電界効果トランジスタ（MOSFET）信頼性の高いSiCデバイスを目指す場合の選択の概念として一般的に受け入れられています。 最初は、ジャンクションフィールド効果 トランジスタ （JFET）構造は、SiCトランジスタの性能と信頼性を統合するための究極のソリューションのように思われました。 しかし、現在確立されている150mmウェーハ技術により、トレンチベースのSiCMOSFETが実現可能になりました。 このようにして、性能または高い信頼性のいずれかを有する二重拡散金属酸化物半導体（DMOS）構造のジレンマを解決することができた。
SiCダイオードやトランジスタ、窒化ガリウム高電子移動度トランジスタ（GaN HEMT）などのワイドバンドギャップベースのパワーデバイスは、現在、パワーエレクトロニクス設計者のライブラリで一般的な要素です。 しかし、なぜ？ 従来のシリコンとは対照的に、炭化ケイ素の何がそれほど魅力的ですか？ SiCコンポーネントが設計エンジニアにとって非常に魅力的であり、シリコン高電圧デバイスと比較してコストが高いにもかかわらず、設計で頻繁に使用する理由は何ですか？ いくつかの理由を見てみましょう。
低損失と高ブレークダウンフィールドが重要です
電力変換システムでは、設計エンジニアは変換中のエネルギー損失の削減に継続的に取り組んでいます。 最新のシステムは、ソリッドステートトランジスタが受動素子と組み合わせてオンとオフを切り替える技術に基づいています。 使用されるトランジスタに関連する損失については、いくつかの側面が関係しています。
- まず、設計エンジニアは、実施段階での損失を考慮する必要があります。 MOSFETでは、これらは古典的な抵抗によって定義されます。 IGBTでは、ニー電圧（V）の形の固定伝導損失決定子です。ce_sat）さらに、出力特性の微分抵抗。 ブロッキングフェーズでの損失は通常無視できます。
- 次に、設計エンジニアは、スイッチング中にオン状態とオフ状態の間に常に遷移フェーズがあることを考慮する必要があります（図1）。 関連する損失は、主にデバイスの静電容量によって定義されます。 IGBTでは、少数キャリアのダイナミクス（ターンオンピーク、テール電流）により、さらなる寄与が見られます。
これらの考慮事項に基づいて、選択するデバイスは常に MOSFET。 ただし、特に高電圧では、シリコン MOSFET の抵抗は非常に高くなり、少数キャリアによる電荷変調を使用して導通モードの抵抗を下げることができるため、全体の損失バランスは IGBT よりも劣ります。
図1：この図は、スイッチングプロセスと静的IV動作のグラフによる比較を示しています。 （出典：インフィニオンテクノロジーズ）
ワイドバンドギャップ半導体を考えると状況は変わります。 図2 は、SiC と GaN とシリコンの最も重要な物理的特性をまとめたものです。 バンドギャップと臨界電界の間の直接の相関関係 半導体 重要です。 SiCの場合はシリコンに比べて約10倍です。
図2：この画像は、シリコンに対するSiCおよびGaNの重要な物理的特性を強調しています。 （出典：インフィニオンテクノロジーズ）
この機能により、高電圧コンポーネントの設計が異なります。 図3 は、5kV半導体デバイスの例を使用した影響を示しています。 シリコンの場合、半導体設計者は、中程度の内部絶縁破壊電界のために、比較的厚いアクティブゾーンを使用することを余儀なくされます。 さらに、アクティブ領域に組み込むことができるドーパントはごくわずかであるため、高い直列抵抗が得られます（ 図1).
図3：SiCは、より薄い半導体アクティブゾーンを可能にします。 （出典：インフィニオンテクノロジーズ）
SiCのブレークダウンフィールドが10倍高いため、アクティブゾーンをはるかに薄くすることができます。 同時に、より多くの自由キャリアを組み込むことができ、したがって、実質的により高い導電率を達成することができる。 炭化ケイ素の場合、MOSFETやショットキーダイオードなどの高速スイッチングユニポーラデバイスと、IGBTやpnダイオードなどの低速バイポーラ構造との間の遷移が、はるかに高いブロッキング電圧にシフトしたと言えます（図4).
図4：SiCは、従来のシリコンよりも高いブロッキング電圧を提供します。 （出典：インフィニオンテクノロジーズ）
またはその逆：約50Vの低電圧範囲のシリコンで可能だったのは、1200Vデバイスで実現可能なSiCの場合です。
まとめ
WBGテクノロジーの進歩と シリコン カーバイドの優れた材料特性により、これらのデバイスは、より高速なスイッチング、低スイッチング損失、およびより薄いアクティブゾーンで動作できるため、効率が向上し、スイッチング周波数が高くなり、スペースを節約できます。 その結果、SiC MOSFETは、電力変換アプリケーションにおいて、従来のシリコンよりも好ましいオプションになりつつあります。
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