パワー半導体とは？ 大きな電流と高い電圧を扱うチップは何をしているのか

パワー半導体は、パワーデバイスとも呼ばれ、大きな電流と高い電圧をオン・オフし、変換するための半導体素子です。電気をある形から別の形に変えます。コンセントの交流をスマートフォンが使う直流に、電気自動車の電池の電気をモーターに、太陽光パネルがつくった電気を電力網へ。英語では power semiconductor、power device。「パワー」は扱う電気が大きいという意味で、計算が得意という意味ではありません。

ふつうのチップと何が違う？

スマートフォンのプロセッサのようなチップには、小さなスイッチが100億個以上入っています（トランジスタとは？）。それらがつながって、1本1本の線の電圧が高い（1）か低い（0）かを決め、計算をします（論理ゲートとは？）。こうしたチップがほしいのは、たくさんの、小さくて、速いスイッチです。

パワーデバイスは、1個まるごとが1つの大きなスイッチであることが多く、計算はしません。やることは3つです。

• 高い電圧に耐える：オフのとき、両端の差が数十ボルトから数千ボルトになることもあり、壊れてはいけません。
• 大きな電流を通す：オンのとき、数アンペアから数百アンペアが流れることもあります。
• 自分の発熱を少なく：扱う電気が大きいので、ほんの一部をむだにするだけでも、たくさんの熱になります。

いつオンにし、いつオフにするかは、隣の制御用のチップが指示します。電圧が低く電流が小さいときは、スイッチと制御回路を1つのチップにまとめることもでき、多くの電源管理ICはそうなっています（アナログ半導体とデジタル半導体は何が違う？）。

コンセントからスマートフォンまで、電気は何回変換される？

1. コンセント：交流です。電流が1秒に50〜60回行ったり来たりし、電圧は100ボルト台から200ボルト台です。
2. 整流：ダイオードは電気を一方向にしか通さず、行ったり来たりする電気を、一方向に流れる直流にします。
3. 細かく刻んで電圧を下げる：パワーMOSFETが1秒に数万〜数十万回オン・オフし、直流を短く刻んで小さな変圧器に通し、数ボルトまで下げてから、なめらかに整えます。なぜそんなに速く切り替えるのかは「ニュースの「ワイドバンドギャップ半導体」とは？」で書きました。
4. スマートフォンの中：電池はおよそ3〜4ボルト、プロセッサがほしいのは1ボルト前後なので、もう一度下げます。

整流から先は、どの段階でも、パワーデバイスがオン・オフをくり返しています。電気自動車は逆向きです。電池は直流、モーターは交流がほしいので、インバータと呼ばれるスイッチの組が直流を「刻んで」交流にし、ついでに回転の速さも調整します。

ダイオード、MOSFET、IGBTは、それぞれ何をする？

ダイオード：電気を一方向にだけ通す

端子は2つだけで、誰かが指示する必要はありません。片側から押せば通し、反対側から押せば止めます。だから整流によく使われます。下の2種類のスイッチの横にもよく置かれ、スイッチが切れた瞬間、モーターやコイルの中で急には止まれない電流に逃げ道をつくり、電圧が跳ね上がりすぎないようにします。

パワーMOSFET：切り替えがいちばん速い

しくみはロジックのチップのトランジスタと同じで、ゲートに電圧をかければオン、外せばオフです。違うのは大きくつくってあることで、電流はチップの表から裏へまっすぐ流れることが多いです。切り替えが速く、制御に力が要らないので、充電器や電源など、数百ボルト以下のところでいちばんよく使われます。ただ、止める電圧が高いほど、電圧を受け止める層を厚くしなければならず、オンのときの抵抗も大きくなります（エピタキシャル成長とは？）。電圧が高すぎると割に合いません。

IGBT：高い電圧、大きな電流

IGBTは「絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ」の略で、パワーMOSFETの裏側に層を1枚足したもの、と考えられます。ゲートの電圧で制御するのは同じです。違うのは、オンのとき、その裏側の層が、電圧を受け止める層へ電気を帯びた粒子をどっと送りこみ、その層を一気に電気を通しやすくすることです。だから数百〜数千ボルト、大きな電流のところでは、オンのときのむだが少なく、電気自動車、電車、工場の大きなモーター、太陽光や風力の発電設備でよく使われます。その代わり、オフにするとき、送りこんだ粒子が消えるまで少し時間がかかるので、切り替えは遅めで、たいてい1秒に数千〜数万回です。

パワーデバイスはどこで使われている？

• 充電器、パソコンやサーバーの電源：交流を直流にし、さらに電圧を下げます。
• 電気自動車：モーターを動かすインバータ、車載の充電器、充電スタンド。
• 太陽光発電、風力発電：太陽光パネルがつくるのは直流で、交流にしないと電力網へ送れません。
• モーターと家電：エアコン、冷蔵庫、洗濯機、工場のポンプやファンは、インバータで必要なだけ回転の速さを変えることが多く、それを支えるのがパワーデバイスの組です。

電気はどこでむだになる？ なぜ効率が大事なのか

パワーデバイスは完璧なスイッチではなく、むだが出るのは2つの場面です。

• オンのあいだ：通していても、少し抵抗があります。MOSFETなら、電流が2倍になると熱はおよそ4倍です。
• 切り替える瞬間：オンからオフ、オフからオンへ移るあいだのほんの短い時間、電圧も電流もゼロではないので、切り替えるたびに少しむだになります。回数が多いほど積み重なります。

効率は、入れた電気の何割が先へ届くかで、残りは熱になります。電気は発電所から手もとに届くまでに何回も変換され、そのたびに少しずつ減ります。効率が少し上がるだけで節約できる電気は大きく、冷やす仕組みも小さくできます。

なぜ古い世代のプロセスでつくり、しかも大きいのか

大きな電流を通すには、太い水道管のように、電流が流れる面積が要ります。高い電圧を止めるには、電圧を受け止める層に厚さが要ります。どちらも「スイッチを小さくする」とは逆向きです。だからパワーデバイスが競うのは、いちばん細い線幅ではなく、電圧を受け止める層がうまく育っているか、裏側の電極がよくできているかです。何年も動いているラインでつくられるものが多くあります（ニュースの「成熟プロセス」とは？）。

なぜ大半はシリコンで、炭化ケイ素や窒化ガリウムも使われはじめた？

シリコンは安く、つくり方もいちばんこなれていて、パワーデバイスの大半は今もシリコンです。電圧がもっと高いところや、もっと速く切り替えたいところでは、炭化ケイ素と窒化ガリウムが使われはじめています。ずっと強い電界に耐えられるので、電圧を受け止める層をずっと薄くできるからです。炭化ケイ素は電圧や電力がより大きいところ、窒化ガリウムは急速充電器やサーバーの電源など、とても速く切り替えたいところで多く使われます。なぜ高い電圧に強いのか、なぜシリコンを置き換えないのかは「ニュースの「ワイドバンドギャップ半導体」とは？」へ。

なぜパッケージと放熱がとくに大事なのか

むだになったわずかな電気は、すべて小さなチップ1枚から熱として出てきます。熱くなりすぎると、素子は壊れたり寿命が縮んだりします。だからパワーデバイスのパッケージ（パッケージングとは？）は、熱と大きな電流にとくに気を配ります。

• ダイボンドには金属のはんだを使うことが多く、チップの下から熱を逃がします。
• 電流が大きいので、ワイヤボンディングには太い線を使うか、金属の板でつなぎます。
• 大電力のものは、電気を通さず熱はよく通すセラミックの板に何枚ものチップをはんだづけし、「パワーモジュール」にまとめて、下に放熱器をつけます。電気自動車では水冷もよく使われます。

オン・オフのたび、熱くなったり冷えたりするたびに、層ごとに伸び縮みの量が違うので、はんだの接合部や線が少しずつ引っぱられて傷みます。だから信頼性試験がとくに大事です（信頼性試験とは？）。

fab24hrでは

ゲームにパワー半導体は出てきませんし、工場がつくっているのもパワーデバイスではありません。でも「工場の電気がどこから来るのか」には出会えます。「出勤」を押して「工場の一日」を選び、「今日のあなたは」のカードで「量産工場」を押し、左右にスワイプしてファシリティへ。名前の下の「電力」を押すと（Betaの表示つき）、電力課エンジニアです。変電所から各装置までの電気と、停電のときの無停電電源装置・非常用発電機を見守ります。

変電所の変圧器は、コイルで交流の電圧を上げ下げするもので、パワー半導体は使いません。一方、無停電電源装置の電池がためているのは直流で、送り出す前に交流に戻す必要があり、ふつうはパワーデバイスがその役目をします。ゲームではその中身までは描いていません。深夜シフトでは、中央監視室から、前工程エリアが「電気のせいでは」と聞いていると電話が来て、電圧の記録を見てから答えます。ゲームに出てくる工場、人物、装置番号は架空のものです。パワー半導体とは何かは、公開されている一般的な資料をもとに書き、電圧と電流はおおよその桁だけを書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。