令和5年度第三種電気主任技術者上期試験　機械科目 問100 解説 問10 問10

選択肢(1)「IGBTは、オンのゲート電圧が与えられなくても逆電圧が印加されれば逆方向の電流が流れる」は、一般的なIGBTが逆方向の電圧に対して電流を阻止する特性を持つか、あるいは逆方向耐圧が低いために破壊に至る特性を持つため、この記述が誤りである。

パワー半導体スイッチングデバイスの基本特性

パワー半導体スイッチングデバイスは、電気エネルギーの変換や制御において、電力のオン・オフを高速に切り替える役割を担います。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）とパワーMOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）は、その代表的なデバイスです。これらの特性を理解することが、適切なデバイス選択や回路設計に不可欠です。

• IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）: 電圧によって制御されるバイポーラデバイスです。ゲート・エミッタ間電圧でコレクタ・エミッタ間電流を制御します。多数キャリア（電子）と少数キャリア（正孔）の両方が電流の伝導に寄与する「バイポーラ動作」をするため、大電流を流すことができます。
• パワーMOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）: 電圧によって制御されるユニポーラデバイスです。ゲート・ソース間電圧でドレイン・ソース間電流を制御します。電子または正孔のどちらか一方の「多数キャリア」のみが電流の伝導に寄与する「ユニポーラ動作」をするため、高速なスイッチングが可能です。

PN接合の逆バイアス特性とキャリア蓄積作用

半導体デバイスの動作を理解する上で重要な概念が、PN接合の特性とキャリアの挙動です。

• PN接合の逆バイアス特性: PN接合は、P型半導体とN型半導体を接合したものです。順方向に電圧を印加すると電流が流れますが、逆方向に電圧を印加すると、接合部に空乏層が形成されて電流がほとんど流れません（阻止状態）。ただし、逆方向電圧が一定値（降伏電圧）を超えると、アバランシェ降伏などの現象により急激に電流が流れ、デバイスが破壊に至る可能性があります。一般的なIGBTは、このPN接合の原理に基づき、コレクタとエミッタ間に逆電圧が印加された際に、内部のPN接合が逆バイアス状態になる構造を持っています。しかし、その構造上、逆方向への電流阻止能力が非常に低いか、ほとんど持たないものが一般的です。これは、順方向の電流容量を最大化するために設計されているためであり、逆方向の耐圧を意図的に持たせないことで製造を簡素化しています。
• キャリア蓄積作用: バイポーラデバイスであるIGBTは、ターンオン時に内部に多数の少数キャリア（電子と正孔）が注入され、蓄積されます。ターンオフ時には、これらの蓄積されたキャリアが再結合によって消失するまでに時間を要します。このキャリアの消失が緩やかに行われることで、コレクタ電流がすぐにゼロにならず、緩やかに減少する「テイル電流」と呼ばれる現象が発生します。これにより、ターンオフ時間が長くなります。一方、ユニポーラデバイスであるパワーMOSFETは、少数キャリアの蓄積がないため、テイル電流が発生せず、高速なターンオフが可能です。

選択肢の評価

今回の問題では、IGBTとパワーMOSFETの特性に関する記述の正誤を判断します。

1. 選択肢(1)の評価: IGBTの逆方向電流 一般的なIGBTは、コレクタとエミッタ間に逆電圧が印加された際、内部のPN接合が逆バイアス状態になります。しかし、その構造設計上、逆方向への電流阻止能力は低いか、ほとんど持たないものが大半です。つまり、逆方向電圧に対しては低い耐圧しかなく、その耐圧を超えると破壊に至るのが一般的です。ゲートにオン電圧が与えられていないオフ状態では、順方向・逆方向ともに電流を流しません。したがって、「オンのゲート電圧が与えられなくても逆電圧が印加されれば逆方向の電流が流れる」という記述は誤りです。電流を阻止するか、耐圧を超えて降伏（破壊）するかのどちらかであり、制御された逆方向電流が流れるわけではありません。
2. 選択肢(2)の評価: パワーMOSFETの駆動方式 パワーMOSFETは、ゲート・ソース間に正の電圧を印加することで、チャネルが形成され、ドレイン・ソース間に電流が流れるようになります。これはゲートの酸化膜を介した電界によってチャネルの導電率を制御するため、「電圧駆動形」のデバイスと称されます。この記述は正しいです。
3. 選択肢(3)の評価: パワーMOSFETのキャリアと速度、電流 パワーMOSFETは、電流の伝導に多数キャリアのみが寄与する「ユニポーラデバイス」です。少数キャリアの蓄積がないため、ターンオン・ターンオフ時にキャリアの消失を待つ必要がなく、IGBTのようなバイポーラデバイスと比べてスイッチング時間が短くなります。しかし、一般的に大電流を流す場合のオン抵抗が高くなりやすいため、同程度の電流容量を持つIGBTと比べてチップサイズが大きくなる傾向があり、流せる電流は小さいとされます。この記述は正しいです。
4. 選択肢(4)の評価: IGBTのテイル電流とオフ時間 IGBTはバイポーラデバイスであるため、ターンオフ時に内部に蓄積された少数キャリアが消失するまでに時間を要します。このキャリアの「蓄積作用」により、コレクタ電流が緩やかに減少する「テイル電流」が発生します。このテイル電流の存在により、パワーMOSFETと比較してターンオフ時間が長くなる傾向があります。この記述は正しいです。
5. 選択肢(5)の評価: SiCパワーMOSFETの特性 SiC（炭化ケイ素）は、従来のシリコンに比べてバンドギャップが広く、絶縁破壊電界強度が高いなどの優れた物性を持っています。そのため、SiCを用いたパワーMOSFETは、シリコン製デバイスよりも高耐圧化と高耐熱化が可能です。これは、次世代パワー半導体の主流として期待されている理由の一つです。この記述は正しいです。

IGBTとパワーMOSFETの内部構造、特にPN接合の配置やキャリアの種類に注目すると、それぞれのデバイスが順方向・逆方向の電圧や電流に対してどのように反応するかが具体的に見えてきます。

参考リンク

• パワー半導体とは？ IGBTやMOSFET、SiCやGaNの動作原理と用途を解説
• 半導体スイッチング素子を比較！MOSFET, IGBT, SiC-MOSFET, GaN-HEMTの違いを動画で解説
• Power Electronics (Cambridge University) - Lecture 2: Power Semiconductor Devices (英語ですが、アカデミックな情報源として非常に詳細です)