SiC

半導体デバイス測定に関する翻訳で、GaNという言葉が出てくる(例えば、B1505A パワーデバイス・アナライザ/カーブトレーサのp2)。

半導体には、Si(シリコン)などのように1種類の元素を材料にしているものと、GaAs(ガリウムヒ素)などのように2種類以上の元素を材料にした化合物半導体がある。SiCは、化合物半導体の1つで、シリコン・カーバイド(Slicon Carbide)または炭化珪素と呼ばれる。

近年、二酸化炭素の排出削減による地球温暖化の緩和や原子力発電所停止に伴う電力不足の解消のために、電車、電気自動車、太陽光発電などの大電力の制御に使用されている電力変換器(インバータ)の高効率化(低損失化)の要求が高まっている。このような電力変換器に使用されているパワー半導体としては、Si(シリコン)を材料にしたIGBTがある。さらなる、高出力、高効率、高耐圧動作が可能な半導体デバイスとして、GaN(窒化ガリウム)とともにSiCが注目されている。

SiCパワー半導体は、GaNパワー半導体と同様にワイドバンドギャップ半導体と呼ばれ、Si半導体に比べてバンドギャップ幅が約3倍広いので、高温でもデバイス性能が劣化せず、冷却装置を不要/簡素化でき、小型のインバーターを実現できる。また、GaNパワー半導体と同様に、絶縁破壊電界もSi半導体に比べて約10倍大きく、Si半導体に比べて約1/1000のオン抵抗を実現して極めて効率の高い動作が可能である。

SiCパワー半導体とGaNパワー半導体の主な違いは、SiCパワー半導体がSiC単結晶基板上に形成するのに対して、GaNパワー半導体はSi基板上にGaN層を形成するので、高耐圧化が難しいことである。このことから、SiCパワー半導体は高耐圧、大電流アプリケーションに利用され、GaNパワー半導体は小型、高周波アプリケーションに利用されている。

SiCについては、以下を参照

SiCパワー素子の技術開発競争、今後5年から10年が勝負

半導体のオン抵抗と絶縁破壊電界の関係については、以下を参照。

オン抵抗と耐圧

derating(ディレーティング)

測定器の仕様の翻訳で、derating(ディレーティング)という言葉がよく出てくる(例えば、IInfiniiVisionオシロスコーププローブ/アクセサリのp7)。

derating(ディレーティング)とは、 読んで字の如く、de(下げる)+rating(定格)で、電子部品/デバイスの分野では、最大定格よりも低い値で使用して、その部品/デバイスの信頼性を向上させること(故障率を低くすること)という意味である。ディレーティング仕様は、上のpdfファイルのようにディレーティング曲線として表されたり、オシロスコープのプローブの最大許容電圧の仕様に、

周波数ディレーティング:400 Vpk(40 kHzまで)。6 Vpkまで20 dB/decadeでディレーティング

のように記載されている。

電子部品/デバイスは、印加する電圧、電流、電力、周波数や接続する負荷による電気的なストレス、温度や湿度などの環境的なストレスの累積によって故障が生じる。したがって、これらのストレス項目の最大定格値を下回る値で使用すれば一般的には故障率は下がる。しかし、電子部品/デバイスによっては、ディレーティングを行っても故障率がそれほど変わらなかったり、極端なディレーティングを行なうと逆に故障率が上昇するストレス項目もある。

ディレーティングについては、以下を参照。

ディレーティング(derating)

memory depth(メモリ長)

オシロスコープ測定の翻訳で、memory depth(メモリ長)という言葉がよく出てくる(例えば、InfiniiVision 1000 Xシリーズ オシロスコープのp17)。

デジタル・オシロスコープの波形表示プロセスでは、アナログ波形を高速なA/Dコンバーターで、一定の時間間隔毎にサンプリング(デジタイズ)して、(ディスプレイに表示するためのデジタル処理に時間がかかるので)一時的に高速な波形メモリに記録しておく。

メモリ長(レコード長とも呼ばれる)とは、この高速波形メモリに記録できる波形のポイント数(サンプル数)のことである。連続して記録できる波形の時間長は、サンプリング間隔(1/サンプリング・レート)とメモリ長の積なので、例えば、最高サンプリング・レートが1Gサンプル/秒、メモリ長が10Kポイントのオシロスコープの場合は、波形を10μsの時間だけ連続してディスプレイに表示できる。このようなメモリ長の小さいオシロスコープでは、時間軸の設定を遅くすると、ディスプレイ全体に波形が表示されなくなるので、時間軸の設定が遅い場合は、サンプリング・レートを自動的に低く設定して、波形をディスプレイ全体に表示するようになっている。しかし、サンプリング・レートが低くなるとエリアシング誤差が発生しやすくなる。

逆に、大容量メモリを搭載したオシロスコープでは、時間軸設定を遅くしても最高サンプリング・レートでディスプレイに表示できるので、エリアシング誤差が発生せず、長い時間範囲にわたって波形を詳細に観測できる。

オシロスコープのメモリ長については、以下を参照。

組み込みエンジニア必須のスキル – オシロの基本を身に着ける > 第5回 観測する波形からオシロスコープを選ぼう – その1

direct digital synthesis(ダイレクト・デジタル・シンセシス)

波形発生器に関する翻訳に、direct digital synthesis(ダイレクト・デジタル・シンセシス)という言葉がよく出てくる(例えば、33500Bシリーズ波形発生器)。direct digital synthesis(ダイレクト・デジタル・シンセシス)は、略してDDSと呼ばれる。

DDSは、基準クロックから、直接デジタル的に、周波数が可変の任意の波形を発生させる方式である。PLLと1/n分周器を用いた間接的な発生方式に対するものとして、ダイレクト・デジタル・シンセシスと呼ばれる。

DDSは、加算器とラッチ(レジスタ)を組み合わせた累積加算器(積算器、アキュムレータ)、1サイクルの波形データが記録されているROM、デジタル信号をアナログ信号に変換するD/Aコンバーターから構成されている。

正弦波を出力するDDSでは、ROMには、先頭アドレスから最終アドレスまでのアドレスビット幅に、正弦波の位相ゼロに対応する振幅値から正弦波の位相2πに対応する振幅値が書き込まれている。アキュムレータは、基準クロックに同期して積算設定ステップで積算していく(積算設定ステップが1の場合は積算値は0、1、2、・・・、積算設定ステップが2の場合は積算値は0、2、4、・・・などとなる)。この積算値がROMのアドレスになり、このROMのアドレスの振幅値がD/Aコンバーターに送られ、アナログ出力となる。これは、積算設定ステップをn、ROMのアドレスビット幅をmビット、基準クロックの周波数をf_referenceとすると、DDSのアナログ出力の周波数f_outが、

f_out=(n/2^m)×f_reference

となることを表している。nを変化させると、瞬時に出力周波数が変化し、位相連続な波形を容易に発生できる。また、ROMに正弦波以外の任意の波形を1サイクル分書き込んでおけば、任意の周波数の任意の波形を発生でき、PLLと1/n分周器を用いた方式に比べて、回路が簡単で安価である。

ダイレクト・デジタル・シンセシスについては以下を参照。

DDS について

高品質の波形を簡単、効率的かつ柔軟に生成するDDSデバイス

additive noise(相加性雑音)

ノイズ信号の発生/測定に関する翻訳で、additive noise(相加性雑音)という言葉がよく出てくる(例えば、Keysight 81150A/81160Aパルス・パターン/ファンクション/任意波形/ノイズ発生器のp3)。

additive noise(相加性雑音)は、加法性雑音とも呼ばれ、信号をs(t)、雑音をn(t)として、観測(測定)した信号をy(t)とすると、

y(t)=s(t)+n(t)

と表されるものであり、信号s(t)が存在しない場合(s(t)=0の場合)でもy(t)=n(t)が観測される。

一方、multiplicative noise(相乗性雑音)は、乗法性雑音とも呼ばれ、

y(t)=s(t)×n(t)

と表されるものであり、信号s(t)が存在しない場合(s(t)=0の場合)は、y(t)=0となって雑音は観測されない。

相加性雑音の代表的なものとして、熱雑音(絶対零度以外のすべての物質に存在)がある。相乗性雑音の代表的なものとして、マルチパスフェージングや音の残響(直接波が存在しないと間接波は存在しない)、位相雑音(搬送波が存在しないと搬送波近傍の位相雑音は存在しない)などがある。

breakdown voltage(ブレークダウン電圧)

パワーMOSFETの測定に関する翻訳で、breakdown voltage(ブレークダウン電圧)というよく言葉が出てくる(例えば、B1505Aによる1500 A/10 kVハイパワーMOSFETの特性評価のp4)。

パワーMOSFETは、身の回りのさまざまな電化製品のスイッチング電源やPCのマザーボード上のDC-DCコンバーターなどに広く使用されている。MOSFETの動作原理説明では、P型半導体基板の上部表面の水平(横)方向にソース電極、ゲート電極、ドレイン電極を配した横型MOSFETの図(例えば、このページの図)が用いられるが、パワーエレクトロニクスでは、損失を少なくするために低オン抵抗の縦型MOSFETがよく用いられる。縦型MOSFETは、N型半導体基板の上にN型のピタキシャル層を形成し、その上部表面に高濃度のN型層と低濃度のP型層を2重拡散で形成したもので、ソース電極とゲート電極はその上部に存在し、ドレイン電極はN型半導体基板の下に存在する(例えば、このページの図)。このような構造にすることにより、横型MOSFETよりも電流が流れる経路が広くなり、低オン抵抗という特性が得られる。

縦型MOSFET構造には、拡散形成されたP型層とエピタキシャル形成されたN型層のPN接合による寄生ダイオードと、(拡散形成されたN型層-拡散形成されたP型層-エピタキシャル形成されたN型層)によるNPN型の寄生トランジスタが存在する。ブレークダウン電圧とは、この寄生ダイオードに逆バイアス電圧が印加され、アバランシェ増倍効果(例えば、ここを参照)に起因する大きな電流が流れ始める電圧のことである。この大電流により温度が上昇し寄生トランジスタのベース抵抗が大きくなり、その抵抗での電圧降下が大きくなって、寄生トランジスタがオンになり、破壊に至る。

MOSFETのブレークダウン電圧については、以下を参照。

インフィニオン テクノロジーズのホームページ > 製品 > MOSFET > 技術資料他 > Application Notes >
パワーMOSFETの基礎パワーMOSFETアバランシェ設計ガイドライン

SIGFOX

IoTデバイスの測定に関する翻訳に、Z-Waveという言葉が最近よく出てくる(例えば、IoT:デザイン/テストに必要なテクノロジーとソリューションのp4の図1)。

IoT向けの無線通信規格として、近距離ネットワーク用のBluetooth Low Energy (BLE)ZigBeeWi-SUNZ-Wave、中距離ネットワーク用の802.11ah、長距離ネットワーク用のNB-IoTLoRaWANなどがある。SIGFOXは、LoRaWANとともに低消費電力で広い範囲をカバーするLPWA(Low Power Wide Area)と呼ばれるIoT向けの長距離ネットワーク用の規格である。

SIGFOXは、2009年にフランスのSIGFOX社が開発した規格で、この規格の推進手段として、1つの国で1つの事業者と契約してその国のネットワークを構築するという戦略をとっている。日本では、京セラコミュニケーションシステムがライセンスを受けている。SIGFOXは、欧州を中心に普及していて、火災報知器などのホームセキュリティ、気象観測、スマートパーキング、水道メーター検針、家畜/ペットモニタリングなどに利用されている。

LoRaWANがLoRaと呼ばれるスペクトラム拡散方式を用いて雑音や干渉信号に対する耐性を上げ、到達距離を長くしている(その分、通信速度は遅くなる)のに対して、SIGFOXは、ウルトラナローバンド(チャネル帯域幅が100Hzと非常に狭いので受信感度を高くでき、雑音、妨害波に強い)、時間/周波数ダイバーシティ(1つのデータを送信するのに、異なる周波数で3回連続して送信することにより、雑音、妨害波による送信の失敗確率が減少)、空間ダイバーシティ(受信可能なすべての基地局で受信することにより、空間内のある方向にのみ存在する妨害波の影響を軽減)を組み合わせて、雑音や干渉信号に対する耐性を上げ、到達距離を長くしている。その分、通信速度は100bpsと非常に遅く、1回当たりのデータのアップロード量が12バイトと小さいが、センサー出力の数値のみを送信するIoT向けには十分であり、ネットワークもそれほど複雑ではないので、回線使用料が100円/年程度と安価になる見込みである。

SIGFOXについては、以下を参照。

いまさら聞けないSIGFOXネットワーク入門

「SIGFOXがIoTの常識を変える」、KCCS黒瀬社長が基調講演

pink noise(ピンクノイズ)

オーディオ測定に関する翻訳で、pink noise(ピンクノイズ)という言葉がよく出てくる(例えば、M9260A PXIeオーディオアナライザ・モジュールのp3)。

熱雑音などに代表されるホワイトノイズ(白色雑音)とは、パワースペクトラムが周波数に依存しない(単位帯域幅当たりのノイズパワーが一定の)ノイズであり、周波数を横軸に、パワーを縦軸にしてプロットすると、ある程度の幅のあるフラットなスペクトラム(例えば、このページの図)を示す。ピンクノイズとは、パワースペクトラムが周波数に反比例する(単位帯域幅当たりのノイズパワーが周波数の逆数に比例する)ノイズで、1/fノイズとも呼ばれる。ピンクノイズは、ホワイトノイズを-3dB/octaveのローパスフィルターに通すことにより得られる。ホワイトという名称は、可視光の範囲のすべての波長(周波数)の光を同じ割合で混ぜると白色になるというアナロジーから来ている。同様にピンクという名称は、可視光の範囲の光を、周波数fに対して強さが1/fとなるような割合(周波数の低い赤色の光が多くなるような割合)で混ぜるとピンクになるというアナロジーから来ている。

オーディオ測定では、ピンクノイズは特に人間の聴感に合わせた周波数特性を調べるために使用される。耳で感じる周波数の違いは対数的(500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、…のように周波数が2倍になるごと(1オクターブ高くなるごと)に、音が等間隔で高くなっているように感じる)なので、音の強さを測定する際に、それぞれの周波数ポイント(500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、…)を中心にして、2倍ずつ広く分割した測定帯域幅(オクターブバンドと呼ばれる)で測定する。したがって、このような測定では、(単位帯域幅当たりのノイズパワーが一定の)ホワイトノイズを使用すると、高音(周波数が高いポイントの測定帯域幅)でノイズパワーが大きな数値になる(ノイズパワー=単位帯域幅当たりのノイズパワー×測定帯域幅なので)が、(単位帯域幅当たりのノイズパワーが周波数の逆数に比例する)ピンクノイズを使用すると、オクターブバンドごとに一定の大きさ(フラット)になり、人間の感覚と一致する数値になる。

ピンクノイズについては、以下を参照

株式会社ソフトウェアクレイドルのホームページ > 技術コラム > 装置設計者のための騒音の基礎 第1回 > オクターブバンド分析

Z-Wave

IoTデバイスの測定に関する翻訳に、Z-Waveという言葉が最近よく出てくる(例えば、IoT対応民生用エレクトロニクスデバイスのp11)。

IoT向けの無線通信規格として、近距離ネットワーク用のBluetooth Low Energy (BLE)ZigBeeWi-SUN、中距離ネットワーク用の802.11ah、長距離ネットワーク用のNB-IoT、SIGFOX、LoRaWANなどがある。Z-Waveは、IoT向けの近距離ネットワーク用の規格で、特にスマートホームのネットワーク用として普及が進んでいる。Z-Waveは、無線による照明制御から発展したもので、デンマークのZen-sys社が2003年に開発した規格(2009年に米国のSigma Designs社がZen-sys社を買収)である。Z-Waveアライアンスを設立して、規格の普及、開発を推進している。

Z-Waveの特長は、900MHz帯のISMバンドを使用していることで、これにより、家庭で一般的に使用されている2.4GHz帯のISMバンド(無線LANや電子レンジ)との干渉がなく、障害物があっても回折により電波が回りこみやすく、通信距離が長くなる。また、デバイスが1社による独占供給なので、完全互換性が得られるという利点はあるが、スマートホーム市場でさらに普及するための問題点になる可能性もある。

Z-Waveは、欧米では普及しているが、日本では、900MHz帯の電波利用の再編の影響(2012年に免許不要の920MHz帯が使用可能になる)や法規制(2013年5月10に、無線通信による電源オン操作が可能になる)のために、普及が遅れている。

Z-Waveについては、以下を参照。

IoT時代の無線規格を知る【Z-Wave編】

thermistor(サーミスタ)

データ収集システムに関する翻訳で、thermistor(サーミスタ)という言葉がよく出てくる(例えば、Keysight 34970A データ収集/スイッチ・ユニットのp2)。

温度測定は、非接触式と接触式に大きく分類される。非接触式の温度測定では、被測定物の表面から放射されている赤外線を検出して温度を測定する放射温度計が用いられる。接触式の温度測定では、熱電対RTD(測温抵抗体)、サーミスタが用いられる。サーミスタという用語は、Thermally Sensitive Resistor(熱に敏感な抵抗体)の発音を省略したものと言われている。サーミスタは、RTDに比べて、小型で、温度の変化に対する抵抗の変化が大きく(感度が高く)、安価なので、温度センサとして工業用途はもちろん、民生用機器(炊飯器やエアコン、電子体温計、リチウムイオン電池、自動車など)に広く使用されている。

サーミスタは、NTC(Negative Temperature Coefficient)サーミスタ、PTC(Positive Temperature Coefficient)サーミスタに分類される。NTCサーミスタは、負の温度係数(温度が上がると、抵抗値が減少する)を持ち、マンガン 、ニッケル、コバルトなどを成分とする酸化物を焼成したセラミックス(半導体)材料を用いるものが多い。PTCサーミスタは、正の温度係数(温度が上がると、抵抗値が増加する)を持ち、チタン酸バリウムに微量の希土類元素を添加してキューリー点を調整した材料を用いるものが多い。PTCサーミスタは、室温付近からキュリー点までは抵抗値がほぼ一定で、キュリー点を超えると急激に抵抗値が増加する性質があり、温度検出用途だけでなく、加熱保護や過電流保護などに使用されている。

サーミスタについては、以下を参照

村田製作所のホームページ > 製品情報 > サーミスタ