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1. Si・SiC・GaN・ダイヤモンド｜なぜ材料を変える必要があるのか？

MOSトランジスタの基本はシリコン（Si）を基板にした構造ですが、電力・高周波・高温環境など、
用途が広がるにつれて、シリコンでは性能的に限界が生じます。
この節では、「なぜSi以外の材料が必要とされるのか」という出発点から解説を行います。

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🔍 出発点：シリコンの優位性と限界

特性	シリコン（Si）の利点	限界（用途による）
製造性	結晶性が高く、加工容易	300mmウェハが主流
コスト	安価・既存インフラ多数	高耐圧領域では劣化
電子特性	MOS動作に適した移動度	熱伝導性がやや低い
応用範囲	CMOSロジックに最適	高電圧・高周波には非効率

➡ → これらの用途には「ワイドバンドギャップ材料（WBG）」が必要になる。

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⚡ WBG材料とは？

材料	バンドギャップ（eV）	特徴	主な用途
Si	1.1	CMOSの基本材料	LSI、MEMSなど
SiC	3.3	高耐圧・高温に強い	EV、パワーIC、鉄道
GaN	3.4	高周波に優れ、スイッチング高速	5G、電源、衛星通信
ダイヤモンド	5.5	圧倒的な熱伝導・絶縁耐圧	宇宙、核融合、高耐放射線用途

※ バンドギャップが広いほど「高電圧・高温」に強く、オン抵抗を下げられるポテンシャルがあります。

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🧩 Siでは到達できない応用例

応用例	材料の選定理由
EVインバータ	高耐圧＆低損失が不可欠 → SiC採用
5G通信	高速スイッチング＆小型化 → GaN HEMT
宇宙用途	放射線耐性＆熱放出性 → ダイヤモンドFET

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🔁 CMOSとの違いと接続

• GaN・SiCもMOS構造やHEMT構造に応用されており、「MOSの基盤材料が変わる」と理解できます
• CMOSロジックとは電気的特性・製造プロセス・基板温度制約などが異なる

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📝 本節のまとめ

• Si以外の材料が必要な理由は、「限界特性の突破」
• SiC・GaN・ダイヤモンドは、高耐圧・高温・高周波・高放射線などの特殊環境に適応
• 用途と材料はトレードオフで選定されるため、「物性」→「応用」への流れが重要

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📎 次節：2_material_properties.md では、
各材料の 移動度・バンドギャップ・耐圧・オン抵抗を定量的に比較します。