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グリーン・エレクトロニクスSiの限界を打破するSiC/GaN半導体パワー・デバイスの普及が目前に!グリーン・エレクトロニクス No.9ワイドギャップ半導体の研究
現在使用されている最先端のパワー・デバイスはSi(シリコン)という半導体材料がもつ性能を,ほぼ限界まで引き出しており,Siの物性の限界から大幅な発展は困難な状況です.そんななかで,近年,大きな注目を集めているのが,ワイド・バンド・ギャップ半導体デバイス(ワイドギャップ半導体)です.ワイドギャップ半導体は,Siに比べてパワー・エレクトロニクス応用の観点で素晴らしい物性を有しており,大きなポテンシャルを秘めています.ワイドギャップ半導体を使えば,Siでは到底実現不可能な,低損失,高速スイッチング,高温動作が可能になります.
本書では,半導体デバイスの動作原理について説明し,なぜワイドギャップ半導体によって優れたパワー・デバイスが実現できるかを説明します.なかでも研究が進んでおり,非常に有望な材料である,炭化硅素(SiC)と窒化ガリウム(GaN)について,それぞれの材料の特徴,基礎研究の進展具合,具体的なデバイスの開発状況について紹介します. 目次
プロローグ パワー・エレクトロニクス用半導体デバイスの重要性 ■ コラム 次世代DVD実現のキー・デバイス…GaN紫色半導体レーザ・ダイオード スイッチング素子としての応用面から見た 第1章 パワー・エレクトロニクス用半導体の性能指標 ■ パワー・デバイスの性能指標 ■ スイッチング・デバイスの性能指標 ■ 簡単なパワー回路での性能指標の重要性の確認 ■ スイッチング損失が重要なパワー回路の例 ■ コラム スイッチングと増幅の違い パワー・デバイスの動作原理を理解するために 第2章 半導体デバイスの基礎知識 ■ エネルギー・バンド理論による金属/半導体/絶縁体の区別 ■ 真性半導体と外因性半導体 ■ 半導体内での電気伝導 ■ キャリアの生成・再結合 ■ 金属-半導体接合 ■ pn接合 ■ JFET構造 ■ MOS構造 ■ HEMT構造 ■ パワーMOSFETの断面図の読み解きと動作特性 ■ パワーIGBTの断面図の読み解きと動作特性 パワー・デバイスで最も重要な性能指標 第3章 耐圧とオン抵抗のトレードオフ ■ 半導体の絶縁破壊の基礎〜なだれ破壊とツェナー破壊 ■ 単純なpn接合ダイオードの解析 ■ Siユニポーラ・リミット ■ ワイドギャップ半導体 ■ コラム 別の方法でSiユニポーラ・リミットを越える〜超接合のコンセプト 温度が高くなるとどのようなことが起こるのか 第4章 動作可能温度を決める要因 ■ 温度が高くなると起こること ■ 半導体のキャリア密度の温度変化の解析 材料開発の歴史から今後の展望まで 第5章 SiCパワー・デバイスの開発状況 ■ SiC材料開発の歴史と現状 ■ いろいろな結晶構造のSiC ■ SiC SBDはすでに商品化,いよいよ普及段階 ■ SiC MOSFET…次世代パワー・デバイスの最本命 ■ SiC JFET…ノーマリ・オンだが実力は素晴らしい ■ SiC BJT…BJTのリベンジなるか? ■ SiC PiNダイオード,SiC IGBT…過去に類を見ない究極の超高耐圧パワー・デバイス ■ 今後のSiC ■ コラム 宝石としてのSiC ■ コラム MOSFETに関しては3C-SiCにチャンス ■ コラム ワイドギャップ半導体は日本発! 次世代パワー・デバイスの本命となるか 第6章 GaNパワー・デバイスの開発状況 ■ GaN材料開発の歴史 ■ GaNパワー・デバイス ■ HEMTのノーマリ・オフ化 ■ GaN/Siパワー・デバイス…Siに迫る低コスト ■ 今後のGaN Appendix SiC MOSFETのスイッチング動作 ■ SiC MOSFETの素子の電圧-電流特性 ■ ゲート駆動回路 ■ スイッチング動作 GE Articles シリコン・カーバイド半導体によるアプリケーション SiC JFETで作るオーディオ・アンプ ■ 使用するFETの特徴 ■ ノーマリ・オン型FETの応用 ■ 実用アンプを構成する ■ SiC JFETステレオ・アンプの特性 ■ コラム 理論効率 高効率で低ノイズな電源回路を実現できる PFC機能を備えたLLCコントローラIC PLC810PG ■ LLC制御IC PLC810PG ■ PLC810PGのLCDテレビへの応用例 Appendix-A オン・セミコンダクターのLLC電源 Appendix-B フェアチャイルドのLLC電源 Appendix-C NXPセミコンダクターズのLLC電源 Appendix-D STマイクロエレクトロニクスのLLC電源 Appendix-E テキサス・インスツルメンツのLLC電源 切り忘れ防止,タコ足による過電流検出,待機電力チェック 無駄減らし効果が目に見える三つの消費電力メータ ■ テーブル・タップ用電力メータAの製作 ■ 0.1W精度で測れる液晶ディスプレイ付き電力メータ ■ 無線で飛ばしてロギングする大電力測定型 ■ Supplement 電力メータAのMSP430のソフトウェア ■ コラム1 警告!電力測定は危険がいっぱい ■ コラム2 市販の消費電力メータ ■ コラム3 電力を高精度に測定できるA-Dコンバータとは |
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