SiからGaN SiCまで！MOSFETの耐圧とオン抵抗

SiC GaN FETの高速ドライブ回路設計

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進むMOSFETの高耐圧化と低オン抵抗化

シリコン（Si）を基盤としたMOSFETは，長年にわたりパワー・デバイスの主力として利用されてきました．特にスーパージャンクション型は，トレンチ構造やプレーナ構造の改良によって高耐圧化が実現され，600Vから650V領域までの製品が低オン抵抗で安定的に供給されています．

GaN（窒化ガリウム）FETは，40Vクラスでオン抵抗が1m$\Omega$以下の超低損失デバイスとして登場し，高速スイッチングが求められるUSB充電器やACアダプタなどの小型機器に適しています．一方，SiC（炭化ケイ素）は700Vから1200V，さらには1700V以上の高耐圧領域で活躍しており，電気自動車や産業用インバータなど高負荷用途に向けて開発が進んでいます．

耐圧と用途：電源電圧に応じたデバイスの使いわけ

MOSFETの耐圧は，使用される電源の最大ピーク電圧を上回ることが求められます．たとえば100V系のAC電源では，ピーク電圧が約400Vに達するため，600Vや700V耐圧のデバイスが必要です．さらに800Vバスを使用するEVでは，1200V耐圧製品が使用されます．

これらの技術トレンドをまとめると，以下のように分類されます．

1. 15V～650V：主にシリコンMOSFET．低耐圧・高速応答が要求される領域
2. 650V～1200V：GaNやSiCが入り混じる領域．用途に応じた選択が重要
3. 1200V～2000V以上：SiCが中心．EVや産業機器など高電圧環境向け

高速ドライブ回路設計と寄生成分の考慮

GaNやSiCのような高性能FETを最大限に活用するには，ゲート・ドライブ回路の設計が鍵になります．特に高速スイッチング時には，$L_r$や$V_{in}$といった寄生成分の影響が無視できません．これらのパラメータは，回路の立ち上がり時間や振動にも直結するため，レイアウト設計や素子選定において十分な配慮が必要です．

小型化・高速化が進む中で，MOSFET選定だけでなく，それに対応した回路設計の最適化が求められています．

オン抵抗の技術的な意味とパワー損失との関係

MOSFETにおけるオン抵抗（$R_{on}$）は，スイッチング素子がオン状態のときに発生する電気抵抗です．この値が小さいほど，スイッチング動作中の電力損失は小さくなり，デバイスの発熱やエネルギ効率に大きな影響を与えます．

シリコンMOSFETでは，オン抵抗の低減のためにトレンチ構造やスーパージャンクション構造が採用されています．特にスーパージャンクションでは，柱状のPN構造の密度を高めることで，オン抵抗と耐圧のバランスを保ちつつ低抵抗化が進められています．

オン抵抗とデバイス・サイズのトレードオフ

オン抵抗を下げるためには，チャネル幅の拡大やドーピング濃度の最適化が必要ですが，これによりデバイスサイズが大きくなる傾向があります．

GaNやSiCでは，材料そのものの高電子移動度や絶縁破壊強度により，小面積でも低オン抵抗を実現可能です．これにより，高速動作・小型化・発熱抑制を同時に満たすFET設計が実現されています．

1. GaN：1m$\Omega$以下の超低抵抗を達成．小型・高速回路向け
2. SiC：高耐圧かつ10m～100m$\Omega$の中低抵抗で，EVや産業用途に対応
3. Siスーパージャンクション：600V～650V帯で数m$\Omega$の低抵抗を実現

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 2003年　パデュー大学大学院を卒業
• 2007年　リニアテクノロジー株式会社にFAEとして入社
• 2017年　アナログ・デバイセズ株式会社 車載ビジネス・デブロップメント・スペシャリスト．主に新製品の企画や開発に携わる

著書

1. ［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT/data］一緒に作る！LLC絶縁トランス×超高効率・低雑音電源 完全キット，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．