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次世代半導体材料による 省エネルギーエレクトロニクス

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Presentation on theme: "次世代半導体材料による 省エネルギーエレクトロニクス"— Presentation transcript:

1 次世代半導体材料による 省エネルギーエレクトロニクス
名古屋工業大学 電気電子工学科 加藤 正史

2 電力用半導体素子の応用 応用分野は 半導体素子で上記の電力制御している その技術をパワーエレクトロニクス(パワエレ)と呼ぶ 配電系統 電車
工場の動力モータ ハイブリッド・電気自動車 エアコンなど家電 半導体素子で上記の電力制御している その技術をパワーエレクトロニクス(パワエレ)と呼ぶ

3 電力変換 例:家庭用交流電圧を直流電圧にする回路 電力用トランジスタ 電力用ダイオード 全波整流 全波整流 周波数変換 AC100V
DC ?V 全波整流 全波整流 周波数変換

4 身近な電力変換 ACアダプタ エアコン・冷蔵庫のインバータ 電気自動車・電車のモータインバータ これらも電力用半導体素子・パワエレを利用
ACをDCに変換 エアコン・冷蔵庫のインバータ コンプレッサのモータを動かす 電気自動車・電車のモータインバータ 電車のウィーンという音はインバータ音 これらも電力用半導体素子・パワエレを利用

5 電力用半導体素子への要求 シリコンはこれらの要求を満たす 大電圧(AC100V等)に耐える 電気抵抗が低い 耐熱・放熱性が良い 信頼性が高い
必須条件 ピークは141V 正負で283V AC100Vの場合 耐圧は余裕を見て倍 約600V 電気抵抗が低い 抵抗が高いと電力ロス・熱が 発生 耐熱・放熱性が良い 高温になると壊れるため 信頼性が高い すぐに壊れるようではダメ シリコンはこれらの要求を満たす

6 シリコンの諸特性 バンドギャップ 1.1 eV 絶縁破壊電界 0.3 MV/cm 熱伝導度 1.5 W/cm/K 値が大きいほうが高温で動作
値が大きいほうが高電圧に耐える 熱伝導度   1.5 W/cm/K 値が大きいほうが放熱が良い 他の従来材料に比べて、これらの特性が電力用に適す

7 電力用素子の例:ダイオード アノードに正電圧印加の時のみ電流 この特性が必要:整流 大きな負電圧を印加すると急激な逆電流
印加電圧V アノード 逆電圧VR 順電圧VF 電圧 カソード アノードに正電圧印加の時のみ電流 この特性が必要:整流 大きな負電圧を印加すると急激な逆電流 降伏現象 起こしたくない現象 エネルギーバンド図でダイオードの動作原理を説明できる

8 半導体のエネルギーバンド 伝導帯に電子を導入することで電気伝導を起こす(n型) 金属では 電子エネルギー 伝導帯端 +
価電子帯端 + ここに電子があると電流が流れる 電子が存在できないバンドギャップ シリコンではEg=1.1eV 電子の分布を示す線 フェルミ準位 伝導帯の電子一個につきバンドギャップ中に正電荷一つ ここには電子が詰まっているが、一般的に図では省略される 伝導帯に電子を導入することで電気伝導を起こす(n型) 金属では 電子エネルギー 電子は自由に動くことができる フェルミエ準位 フェルミ準位より下では電子が詰まっている

9 ダイオードのエネルギーバンド図 電圧を印加しない場合 電極とシリコンのフェルミ準位差をなくすため電荷が分布 アノード カソード シリコン
電子エネルギー ショットキー障壁 シリコン + 電子 電極 + + + + + + + + + + + + フェルミ準位 - - 電荷 - 位置 アノード カソード 金属電極 シリコン ショットキーバリアダイオードの場合 電圧を印加しない場合 電極とシリコンのフェルミ準位差をなくすため電荷が分布

10 電荷密度分布 正電荷が金属/半導体界面から一定の密度で存在 シリコンの内部は電子の負電荷と相殺 シリコン + 電極 + + + + + +
- - 電荷 - 電荷密度 正電荷 位置 負電荷 正電荷が金属/半導体界面から一定の密度で存在 シリコンの内部は電子の負電荷と相殺

11 電界分布 電界は電荷密度の積分 三角の形の電界分布 + + + + + + + + + + + + - - - 電荷密度 ポアソンの方程式
E: 電界 x: 位置 ρ: 電荷密度 ε: 誘電率 電界 位置 電界は電荷密度の積分 三角の形の電界分布

12 電界が減り、電子は電極側に流れる 大きな順電流
順電圧印加時 電極側に正電圧 + + + + + + + + + + 印加電圧VF - - - 電荷密度 電荷分布が狭まる 位置 電界 電界のピークが小さくなる 電界が減り、電子は電極側に流れる 大きな順電流

13 電極シリコンの界面のエネルギー差が大きくなる
逆電圧印加時 電極側に負電圧 + - + + - + 印加電圧VR - + + - + + + + + + + + + + - - - 電極シリコンの界面のエネルギー差が大きくなる 電極側からシリコン側へ電子は移動できない 逆電流が流れない 整流

14 広がった電荷分布により界面の電界が大きくなる
逆電圧印加時の電界 + - + + - + 印加電圧VR - + + - + + + + + + + + + + - - - 電荷密度 電荷分布が広がる 電界 電界のピークが大きくなる 位置 広がった電荷分布により界面の電界が大きくなる

15 ダイオードの降伏 電界のピークが絶縁破壊電界を超えると降伏 大きな逆電流 解決策 降伏が起こらないような電圧で使う
シリコンの絶縁破壊電界 0.3 MV/cm 電界 位置 電界のピークが絶縁破壊電界を超えると降伏 大きな逆電流 解決策 降伏が起こらないような電圧で使う 高い電圧では使えない シリコン中の電荷密度を下げる 高い電圧でも使える

16 電荷密度を下げた場合 降伏は起こりにくくなるが、電気抵抗が上がる 電子が減り 電気抵抗が上がる シリコン + 電極 + + + + + -
電界 この面積が電圧に対応 底辺が長くなるので電圧が多くても ピークは低くなる 位置 降伏は起こりにくくなるが、電気抵抗が上がる

17 低い抵抗・高い降伏電圧の両立 次世代半導体材料の絶縁破壊電界を利用 同じ耐電圧で低抵抗(低消費電力)の素子が可能 ダイオード以外の素子も同様
シリコンカーバイド・窒化ガリウム の絶縁破壊電界 2~3 MV/cm シリコンの絶縁破壊電界 0.3 MV/cm 電界 位置 次世代半導体材料の絶縁破壊電界を利用 同じ耐電圧で低抵抗(低消費電力)の素子が可能 ダイオード以外の素子も同様

18 次世代半導体材料の諸特性 シリコンカーバイド、窒化ガリウム(SiC,GaN) バンドギャップ 3 eV付近 絶縁破壊電界 2~3 MV/cm
シリコンの3倍  250℃程度の高温でも動作 絶縁破壊電界 2~3 MV/cm シリコンの10倍の電界に耐える 熱伝導度   1.5~4.5 W/cm/K シリコンの1~3倍  シリコンカーバイドは高い放熱性

19 理論性能 図の右下の方が低消費電力、大電圧 SiC,GaNにより飛躍的性能向上

20 技術の歴史 ・シリコンのエレクトロニクス技術 ・SiCのエレクトロニクス技術 ・GaNのエレクトロニクス技術
1940年代に発見、1950年代に実用化 ・SiCのエレクトロニクス技術 1980年代に結晶基板、2000年代に実用化 ・GaNのエレクトロニクス技術 1980年代に結晶基板、1990年代にLED実用化 2000年代に電波発振機実用化 SiC,GaN技術はまだ成長段階

21 SiC、GaN素子によるメリットの実例 SiC素子による省エネエアコンの市販 電気自動車ホイールモータへの実装試験
エアコンシステムで6%の電力削減 電気自動車ホイールモータへの実装試験 自動車内部スペースの簡略化 ノートPCのACアダプタへの実装試験 耐熱性向上による小型・軽量化 現在、毎月のように新しい展開が発表

22 SiC,GaN素子の省エネ効果予測 我が国の省エネ技術・基盤産業へ 2003年時点での予測 2020年における省電力効果28.61TWh/年
2005年の我が国の総電力消費 約1000TWh/年 2005年時点の電力消費と比較すると 約2.9%の省電力効果 我が国の省エネ技術・基盤産業へ


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