전력 반도체 소자

3. 일반적인 소자

일반적인 전력 소자에는 전력 MOSFET, 전력 다이오드, 사이리스터, IGBT 등이 있다. 전력 다이오드와 전력 MOSFET은 저전력 소자와 비슷하게 작동하지만, 더 많은 전류를 흘릴 수 있고 더 큰 역 바이어스 전압을 견딜 수 있다는 차이점이 있다.

전력 소자는 높은 전류 밀도, 전력 손실, 역항복 전압을 견디기 위해 구조적인 변화를 거친다. 대부분의 개별 전력 소자는 수직 구조를 사용하는 반면, 소신호 소자는 측면 구조를 사용한다. 수직 구조는 소자의 전류 정격을 면적에 비례하게 하고, 전압 차단 기능은 다이의 높이에서 달성된다.

전력 MOSFET은 낮은 게이트 구동 전력, 빠른 스위칭 속도, 그리고 향상된 병렬 연결 기능으로 인해 세계에서 가장 일반적인 전력 소자이다.^[16] 이는 휴대용 정보 기기, 전력 집적 회로, 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 그리고 인터넷을 가능하게 하는 통신 인프라와 같은 광범위한 전력 전자 응용 분야에 사용된다.^[17] 2010년 기준으로 전력 MOSFET은 전력 트랜지스터 시장의 대부분(53%)을 차지하며, 그 뒤를 IGBT(27%), RF 증폭기(11%), 그리고 바이폴라 접합 트랜지스터(9%)가 따른다.^[18]

반도체 기술의 발전으로 대전력을 다루는 소자라도 응답 속도는 매년 향상되고 있으며, 전력 제어 장치 전체의 소형화에 기여하고 있다. 또한 동시에 저손실성도 향상되어 에너지 절약과 저발열이라는 관점에서도 채용 범위가 확대되고 있다.

3. 1. 소자 종류

4. 분류

전력 소자는 연결된 외부 전력 회로에 의존하는지에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

• 두 터미널 소자: 연결된 외부 전력 회로에 완전히 의존한다. 예시로는 다이오드가 있다.
• 세 터미널 소자: 외부 전력 회로뿐만 아니라 구동 단자(게이트 또는 베이스)의 신호에도 의존한다. 예시로는 트라이오드가 있다.
• 네 터미널 소자: 실리콘 제어 스위치(SCS)와 같이 네 개의 층과 단자(애노드, 애노드 게이트, 캐소드 게이트, 캐소드)를 가진다. 각 단자는 첫 번째, 두 번째, 세 번째, 네 번째 층에 연결된다.^[23]

• 다수 캐리어 소자: 한 종류의 전하 캐리어만 사용한다. 예시로는 쇼트키 다이오드, MOSFET 등이 있다.
• 소수 캐리어 소자: 다수 캐리어와 소수 캐리어(전자와 정공)를 모두 사용한다. 예시로는 사이리스터, 바이폴라 트랜지스터, IGBT 등이 있다.

4. 1. 다이오드

• 순방향 바이어스 시, 다이오드 양단의 전압은 흐르는 전류의 크기에 관계없이 0이어야 한다 (온 상태).
• 역방향 바이어스 시, 누설 전류는 전압에 관계없이 0이어야 한다 (오프 상태).
• 온 상태와 오프 상태 간의 전환(또는 정류)은 순간적이어야 한다.

4. 2. 스위치

5. 파라미터

• '''항복 전압''': 항복 전압 등급과 온 저항 사이에는 상충 관계가 있다. 항복 전압을 높이면 온 저항이 높아진다.
• '''온 저항''': 전류 정격이 높을수록 온 저항은 낮아지지만, 전체 커패시턴스가 증가하여 속도가 느려진다.
• '''상승 및 하강 시간''': 온 상태와 오프 상태 간 전환에 걸리는 시간이다.
• '''안전 동작 영역''': 열 방산 및 "래치업"과 관련된 고려 사항이다.
• '''열 저항''': 반도체는 고온에서 제대로 작동하지 않으므로, 전력 반도체 소자는 지속적으로 열을 제거해야 한다. 패키징과 히트싱크 기술은 열을 제거하는 수단을 제공한다. 대전류 소자는 다이와 패키징 표면적이 크고 열 저항이 낮다.

6. 연구 개발

전력 반도체 소자 분야의 주요 연구 개발은 크게 세 가지 방향으로 진행되고 있다.

; 패키징

: 패키징 기술은 소자의 성능과 신뢰성에 큰 영향을 미친다. 냉각 성능 향상, 열팽창 계수 일치, 동작 온도 향상, 기생 인덕턴스 및 저항 감소 등에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 일반적인 패키지 유형으로는 TO-220, TO-247, TO-262, TO-3, D²Pak 등이 있다.^[1]

; 구조 개선

: IGBT 설계 개선을 통한 동작 전압 증가, MOS 제어 사이리스터와 같은 새로운 소자 개발, 슈퍼 정션 전하 균형 원리를 이용한 MOSFET 구조 개선 등이 이루어지고 있다. 특히 슈퍼 정션 기술은 전력 MOSFET의 온 저항을 획기적으로 감소시켜 효율을 높이는 데 기여하고 있다.^[1]

; 광대역 밴드갭 반도체

: 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)과 같은 광대역 밴드갭 반도체는 기존 실리콘 반도체의 한계를 극복할 수 있는 차세대 소재로 주목받고 있다. SiC 쇼트키 다이오드 및 접합형 전계 효과 트랜지스터(JFET)는 이미 상용화되었으며, 더 높은 전압을 위한 바이폴라 소자도 개발 중이다. GaN 역시 고주파 소자 분야에서 유망한 소재로 평가받고 있다.^[1]

6. 1. 패키징

• 다이를 외부 회로에 연결한다.
• 소자에서 발생하는 열을 제거하는 방법을 제공한다.
• 다이를 외부 환경(습기, 먼지 등)으로부터 보호한다.

• 냉각 성능
• 패키징의 열팽창 계수를 실리콘의 열팽창 계수와 일치시켜 열 사이클링에 대한 저항성을 높이는 것
• 패키징 재료의 최대 동작 온도

6. 2. 구조 개선

6. 3. 광대역 밴드갭 반도체

참조

_[1] 서적 Exposing Electronics CRC Press 2000
_[2] 서적 A History of the World Semiconductor Industry IET 1990
_[3] 서적 A History of the World Semiconductor Industry IET 1990
_[4] 간행물 Basic turn-off of GTO switches 1960-08-00
_[5] 논문 Frosch and Derick: Fifty Years Later (Foreword) https://iopscience.i[...] 2007-09-01
_[6] 논문 Surface Protection and Selective Masking during Diffusion in Silicon https://iopscience.i[...] 1957-00-00
_[7] 논문 Silicon-Silicon Dioxide Surface Device https://doi.org/10.1[...] 1961-00-00
_[8] 서적 History of Semiconductor Engineering Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007
_[9] 서적 The mechanisms for silicon oxidation in steam and oxygen https://linkinghub.e[...] 1960-00-00
_[10] 서적 History of Semiconductor Engineering Springer Science & Business Media 2007
_[11] 뉴스 Rethink Power Density with GaN https://www.electron[...] Electronic Design 2017-04-21
_[12] 서적 Fet Technology and Application https://books.google[...] CRC Press 1988
_[13] 논문 Advances in Discrete Semiconductors March On https://www.powerele[...] Informa 2005-09-00
_[14] 서적 High Performance Audio Power Amplifiers https://archive.org/[...] Elsevier 1996
_[15] 서적 Dispositifs de l'électronique de puissance Éditions Hermès
_[16] 웹사이트 Power MOSFET Basics http://www.aosmd.com[...]
_[17] 서적 Technology, Entrepreneurs, and Silicon Valley https://books.google[...] Institute for the History of Technology 2002
_[18] 뉴스 Power Transistor Market Will Cross $13.0 Billion in 2011 http://www.icinsight[...] IC Insights 2011-06-21
_[19] 서적 Power Electronics McGraw-Hill Education 2010
_[20] 서적 Power Electronics Converters Applications and Design John Wiley and Sons 2003
_[21] 논문 Evaluation of Modern Power Semiconductor Devices and Future Trends of Converters 1992-04-00
_[22] 웹사이트 semiconductor GTO http://www.abb.com/p[...] ABB
_[23] 서적 Electronic Devices and Circuit Theory Prentice Hall 2006