H25．７月２０日 「世界を動かすシリコンパワー半導体‐発展の経緯と未来‐」
中川明夫 49理 59工博
（パワー半導体素子の原理）
①通常のトランジスタ（バイポーラ―トランジスタ 上図）は、エミッタ―・ベース・コレクターの３極より成り立っています。バイポーラ―トランジスタのはたらきは、大電圧が負荷されているベース-コレクター間の電気的導通のスイッチのオンオフを、エミッタ-ベース間の微小電力電流のオンオフによって制御する、「スイッチ素子」です。通常は「ベース・コレクター」間には逆電圧の大電圧をかけておいて電流のスイッチ・オフ状態にしておきます。このとき、「エミッタ―・ベース」間に僅かな順電圧をかけると、エミッタが電子を放出し、放出された電子の一部分はベースを突き抜けて、コレクターに到達しますが、この突き抜けた電子は、もともと、「ベース・コレクター」間にかけられていた大電圧を導通状態にするため、バイポーラ―トランジスタを用いた電子回路内では、バイポーラ―トランジスタによるスイッチング作用により、大幅な電力増幅が可能になります。バイポーラ―トランジスタはスイッチ・オンの際の電気抵抗が極めて低いという特質がありますが、「エミッタ―・ベース」における電子的な応答がバイポーラ―トランジスタでは遅いため、バイポーラ―トランジスタでは、高速のスイッチングが不可能でした。②一方、ＭＯＳ電界効果トランジスタの度長原理は、「ゲート電圧によって、ドレイン-ソース間の半導体内の電子流をコントロールする」といったものであり、動作が高速であるが、半導体内の電気抵抗が高くてエネルギーのロスが高いという欠点があった。③絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ぜつえんゲートバイポーラトランジスタ、Insulated Gate Bipolar Transistor、IGBT）は、「エミッタ・ベース」間のみについては、電界効果トランジスタと同じ原理で駆動し、「ベース・コレクタ」間はバイポーラ―トランジスタと同じ原理で作動させるため、IGBT素子は、高速スイッチングと、低スイッチ・オン抵抗を、大電力電子回路内において両立するものです。大電力インバーター回路に、IGBTを使用する事によって、電車や電気機関車への半導体回路活用の実用による大幅な省エネが進展しました。
（パワー半導体素子開発の歴史）
大電力をコントロールする半導体素子としては、１９６０年代にサイリスタが最初に開発され、８０A、４００Vの電力をスイッチオンする技術として実用化されました。しかし、サイリスタ単体では原理的にスイッチオフは出来なかった。サイリスタは今日では高電圧直流送電設備等で用いられています（光サイリスタを２０段直列に並べて、５０万Vの直流送電が現在、実用化されています）。１９７０年代は、電流・電力を、スイッチオンもスイッチオフも出来るバイポーラートランジスタが注目され、ジャイアントトランジスタ（GTO）と呼ばれるパワー半導体素子が開発され、４００Vの電力をオン・オフする機能が実現されました。しかし、GTOを用いて３０００Aの電流をスイッチ・オフするためには、実に１０００Aものトリガ電流が必要であした。GTOはその後改良されて、３００型新幹線の動力モーター制御用のインバーター回路に使用されたが、このインバーター回路の駆動時の騒音が大きかった。MOSFETは電流をスイッチ・オン・オフ制御特性は優れていたましたが、MOSFET素子の内部抵抗が大きいため、エネルギーのロスが大きいことと、小型化が技術的に困難であったため、実用化は当初期待されたほどには進展しなかった。
（現在主流のパワー半導体素子ＩＧＢＴ）
現在は、大電力パワー半導体素子としてはIGBTが主流です。７００型以降の新幹線の動力モーター制御用のインバーター回路にはIGBTが用いられ、静音、高効率、小型化が実現されていあす。その他にもIGBTは、ハイブリッドカー、エレベーター、ロボット、洗濯機、冷蔵庫、電子レンジ、エアコン等の電力制御用のインバーター回路の中で広く使用されており、統計的には、平均的な日本の家庭１軒あたり、１００個から２００個のIGBTが使われている勘定になります。一般論として、任意のスイッチ４個を互い違いにオン・オフすると、直流電圧から交流電圧（矩形波）を作れますが、IGBTの優れた高周波スイッチング性能を活用して、オン・オフ比を高速かつ精密に調節する事により、矩形波よりもはるかに滑らかなサインカーブの電圧を生成する事が出来ます。電圧の昇圧・降圧、交流と直流の変換は、IGBTを用いると自在に制御できます。最新のパソコンは様々な電子素子を用いて構成されており、そのため、様々な電圧の直流電源を必要としますが、IGBTを用いたインバーター回路を活用すると、極めてコンパクトで高効率の多電圧対応の電源が得られます。この事は、昨今のパソコンの小型化・軽量化・高効率化に大きく寄与しています。
（これからのパワー半導体素子）
最近、地球温暖化防止対策として、海上風力発電（Seatec）や、砂漠での大規模太陽熱発電（Desertec）等では、砂漠や海上から、遠く離れた都市への直流高電圧送電が用いられる可能性が高いですが、高度に進歩した大電力パワー半導体素子技術は、直流高電圧送電技術の重要な要素技術です。現在のパワー半導体素子の市場規模は２兆円ほどです。現在世界のトップシェア企業は三菱電機です。日本のエアコンは今日ほぼ１００％インバーターを用いていますが、日本以外の国では、エアコン制御に、未だ、インバーター化が殆ど進んでおらず、海外のエアコンの電力消費効率は低効率に留まっています。その他の分野をサーベーしても、今後、世界でのパワー半導体素子の市場規模は大幅に拡大する事が予想されます。IGBTが技術的に開発初期にあった１９８０年代、技術的に問題となったのは、ラッチアップの問題であった。IGBTは構造がサイリスタに似ているため、高負荷状態でIGBTを使用すると、IGBTが誤動作して、サイリスタに似た電流特性を持つに至り、スイッチオンは出来ても、スイッチオフは出来ないというトラブルが発生した。このトラブルがラッチアップの問題である。今回の話題提供した中川らは、計算機シミュレーションを駆使して、ラッチアップの問題を回避する方法を発明し、ノンラッチアップＩＧＢＴ世界最初の論文、IEDM Late News 1984年12月を出し、2010年9月にはIEEE William E. Newell Power Electronics Award For development of non-latch-up IGBTs 賞を受けた。現在は、IGBTを制作する際のシリコン基板を極薄にする事により、素子性能を上げる等の開発が進展している。日本は現在、シリコンをベースとしない、GaN、GaAs素子の研究開発を、国家プロジェクトとして推進しているが、シリコンをベースとする技術は現在市場が拡大しているうえに、シリコンをベースとする技術的進歩は国際的に見ていまだ早い速度で進んでおり、現時点で日本がシリコンをベースとする研究開発をおろそかにすると、折角獲得してキープしている、高い世界シェアを失なう危険性がある。市場性、技術の成長速度等、全ての技術的・経済的・環境的な要素を勘案した、合理的な研究投資が、現在の日本におけるシリコンをベースとする研究開発にも必要である。
(追加)
当日の話題提供の資料はここからダウンロードできます
http://www.geocities.jp/akioika2001/
中川コンサルティング事務所