パワートランジスタ

パワー半導体にはどのようなものがあるのだろうか。JEITA（電子情報技術産業協会）がまとめた図4は概略をよく表している。大電力を扱うサイリスタ^＊2からGTO（ゲートターンオフ）サイリスタ、バイポーラトランジスタなどからパワーMOSFETやIGBTなどが現在使われており、全てシリコンでできている。最近出てきた素材としては、多くの電力を扱えるように表の上方向に性能を伸ばしたSiC（炭化ケイ素）や、周波数を上げて右方向へ性能を伸ばしたGaN（窒素ガリウム）などがある。いずれもシリコンよりもエネルギーバンドギャップが広いため、高温でも使えるというメリットがある。

[図4] さまざまなパワー半導体トランジスタのカバー範囲
出典：JEITA

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現在、パワー半導体の中で売り上げ金額が最大なのはIGBTであり、出荷数量が最大なのはパワーMOSトランジスタである（図5）。シリコン（Si）のパワーMOSトランジスタは、現在の集積回路の主流であるMOSトランジスタと同じ原理で働く。MOSトランジスタは、入力（ゲート）に電圧を加えると、出力に電流が流れるという動作を行い、入力に電圧を加えなければ電流は流れない。このためオン・オフの切り替えが容易にできる。

[図5] 2016年における日本で生産されたパワートランジスタ
出典：JEITAのデータを基に津田建二が作成

MOSトランジスタよりももっと電流を流したい場合にはIGBT（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を使う。このトランジスタは、nチャンネルMOSトランジスタの正電圧を加えるドレインにp型領域を加えた構造を持つ（図6）。IGBTもMOSトランジスタと同様、入力に電圧をかけている間だけ電流が流れるため、制御がしやすい。IGBTは大きな電流が必要なシステムに使われてきている。

[図6] パワーMOSFETとIGBTトランジスタの構造