シリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などの新しい半導体材料の出現により、これまでシリコンを主材料として使用していた半導体チップは、市場や用途にさまざまな変化を遂げてきました。この記事では、ワイドバンドギャップ (WBG) SiC MOSFETのアプリケーション開発と、オンセミコンダクターが導入したソリューションについて紹介します。
化合物半導体が徐々にシリコンの支配的地位に取って代わる
過去数十年にわたり、トランジスタの世界ではシリコンが主流でしたが、この現象は徐々に変化し始めています。2つまたは3つの材料から構成される複合半導体も開発されており、独自の利点と優れた特性を備えています。たとえば、化合物半導体は発光ダイオード (LED) を提供しますが、そのうちの1つはガリウムヒ素 (GaAs) とガリウムヒ素とリンの混合物 (GaAsP) で構成されており、他のいくつかはインジウムとリンを使用しています。
化合物半導体の問題点は、製造が難しく、コストが高いことです。しかし、化合物半導体はシリコンに比べて明らかな利点があるため、自動車の電気システムや電気自動車 (EV) などの新しいアプリケーションの厳しい仕様要件をよりよく満たすことができます。
現在、最も人気のある化合物半導体は、GaNとSiCのパワートランジスタです。これらのデバイスは、長寿命のシリコンパワーLDMOS MOSFETやスーパージャンクションMOSFETと競合できます。GaNデバイスとSiCデバイスの特性はいくつかの点で似ていますが、大きな違いもあります。
WBGデバイスはより高い破壊電圧に耐えられる
化合物半導体はWBGデバイスとも呼ばれます。結晶格子構造、エネルギーレベル、その他の半導体の難解な物理学について議論しない場合は、WBGは、化合物半導体内で電流 (電子) がどのように流れるかを説明しようとするモデルとして定義できます。
WBG複合半導体は、電子移動度とバンドギャップエネルギーが高く、シリコンよりも優れた特性に変換できます。WBG化合物半導体で作られたトランジスタは、ブレークダウン電圧と高温耐性が高く、高電圧および高電力のアプリケーションではシリコンよりも優れたデバイスです。
SiCとGaNはバンドギャップエネルギーが広いため、価電子帯から伝導帯に電子を移動させるのに約3倍のエネルギーが必要になります。これにより、材料は導体よりも絶縁体のように動作します。これにより、WBG半導体はより高い破壊電圧に耐えることができ、その破壊電界はシリコンよりも10倍強力になります。特定の電圧定格では、ブレークダウン電界が高いほどデバイスの厚さが薄くなり、オン抵抗と電流容量が減ります。
WBGデバイスは要求の厳しい自動車用途に適しています
WBGトランジスタはシリコンよりもスイッチング速度が速く、より高い周波数で動作できます。オン抵抗が低いということは、消費電力が少なくなり、効率が向上することを意味します。これらのユニークな機能の組み合わせにより、これらのデバイスは、特にハイブリッド車や電気自動車などの自動車アプリケーションにおける最も要求の厳しい回路にとって魅力的なものとなっています。
GaNおよびSiCトランジスタは、自動車の電気機器の課題を解決することがますます容易になっています。GaNおよびSiCデバイスは、650、900、1200 Vデバイスの高電圧機能を備え、スイッチング速度が速く、動作温度が高く、伝導抵抗が低く、電力消費が最小限で、効率が高いという特徴があります。
SiCとGaNの移動度パラメータはシリコンと同じ桁であり、どちらの材料も高周波スイッチング アプリケーションに非常に適しています。しかし、SiCの最も異なるパラメータは、その熱伝導率がシリコンやGaNの3倍以上であることです。一定の消費電力であれば、熱伝導率が高いほど温度上昇率を下げることができます。
市販のSiC MOSFETの保証最大動作温度は150°C <TJ <lt;200°Cです。対照的に、SiC接合温度は600°Cに達する可能性がありますが、これは主に接合およびパッケージング技術によって制限されます。このため、SiCは高電圧、高速、大電流、高温のスイッチング電源アプリケーションに最適なWBG半導体材料となります。
SiC MOSFETは高電圧スイッチング電源アプリケーションの要件を満たします
SiCは、ディスクリートパワー半導体の製造に使用されるWBGシリーズの半導体材料の1つです。高電圧スイッチング電源アプリケーションの場合、従来のシリコンMOSFETやIGBTと比較して、SiC MOSFETには明らかな利点があります。これらは、1,000 Vを超える高電圧電源レールを切り替え、数百kHzという並外れた周波数で動作することができます。これは、最高のスーパージャンクション シリコンMOSFETでも実現できないものです。IGBTもこの分野でよく使用されますが、「テーリング電流」とターンオフの遅さのため、動作周波数は低く制限されます。その結果、低電圧および高周波動作の場合、シリコンMOSFETが第一の選択肢となりますが、高電圧、高電流、低周波アプリケーションの場合、IGBTがより適しています。ただし、SiC MOSFETは、高電圧、高周波、およびスイッチング性能の利点の最適な組み合わせを提供します。これらは、IGBTと同じ高電圧でスイッチングできる、または低電圧シリコンMOSFETよりも高いスイッチング周波数を持つ電圧制御電界効果デバイスです。
SiC MOSFETはシリコンに比べて優れたスイッチング性能と高い信頼性を備えています。さらに、低いオン抵抗とコンパクトなチップサイズにより、低い静電容量とゲート電荷が保証されます。したがって、システム全体の利点としては、最高の効率、より高速な動作周波数、電力密度の向上、EMIの低減、システム サイズの縮小などが挙げられます。
SiC MOSFETは通常650Vの範囲で利用可能<B ＶＤＳＳ <1.7 kV、主に1.2 kV以上に重点を置きます。650 V未満の範囲では、従来のシリコンMOSFETとGaNがSiCよりも優れています。しかし、低電圧SiC MOSFETの使用を検討する理由の1つは、その優れた熱特性を活用するためであると考えられます。SiC MOSFETの動的スイッチング動作は標準的なシリコンMOSFETと非常に似ていますが、デバイス特性によって決まる固有のゲート ドライブ要件を考慮する必要があります。
多様な製品仕様がさまざまなアプリケーション要件に対応
onsemiのSiC MOSFET製品ポートフォリオは、高速かつ堅牢な設計を実現するように設計されています。SiC MOSFETの絶縁破壊電界強度は10倍、電子飽和速度は2倍、エネルギーバンドギャップは3倍、熱伝導率は3倍高くなります。OnsemiのすべてのSiC MOSFETには、AEC-Q101認定およびPPAP対応のオプションが含まれています。これらのオプションは、自動車および産業用途向けに特別に設計され、認定されています。これらのSiC MOSFETの体系的な利点には、電力損失の削減、電力密度の向上、動作周波数の向上、温度動作効率の向上、EMIの低減、そして最も重要なシステム サイズとコストの削減によって効率を向上できることが含まれます。
オンセミコンダクターのSiC MOSFET製品ラインは、主に900Vと1200Vをサポートするさまざまなタイプに分かれています。900V製品シリーズはR DS(オン) 20 mΩ および60 mΩ デバイス、およびTO247-3LとD2PAK-7Lのパッケージの組み合わせをサポートします。1200 V製品シリーズはRを提供できますDS(オン) 20 mΩ、40 mΩ、80 mΩ、160 mΩのデバイス、およびTO247-3L、TO247-4L、D2PAK-7L、ベアダイのパッケージの組み合わせをサポートします。製品の仕様は非常に多様であり、顧客のさまざまなニーズを満たすことができます。
結論
WBG SiC MOSFETは、高電圧、高周波、スイッチング性能において優れた性能を発揮します。自動車および産業用途に最適です。技術が成熟するにつれて、製品の価格はこれまで以上に競争力が増します。オンセミコンダクターが発売した900Vおよび1200V SiC MOSFETは、顧客のさまざまなニーズを満たすために多様な仕様を備えており、厳しいアプリケーション仕様を満たす優れた性能と安定した品質を備えています。