MOSFETの構造と動作

MOSFETは金属-酸化膜-半導体 (MOS) 構造で構成されています。ゲート電極は薄い酸化膜の上にあり、この酸化膜によって下側の半導体基板から絶縁されています。ソース領域とドレイン領域は、ゲートの両側の基板中に拡散形成されています。このため、MOSFETは現代のエレクトロニクスにおける基本的な電子デバイスとなっています。

MOSキャパシタ: ゲート、酸化膜、半導体

絶縁ゲートは酸化膜によってチャネルから分離されているため、ゲート端子には直流電流が流れません。ゲート、酸化膜、半導体は一体となってMOSキャパシタとして機能します。p型半導体上に作製されたNチャネル デバイスに正のゲート電圧を印加すると、まず正孔が半導体表面から押し出されて空乏層が形成され、次に電子が引き寄せられて酸化膜のすぐ下に薄い導電チャネルが形成されます。

これは、ゲート、ドレイン、ソース端子を備えた、すべてのMOSFETシンボルが表す基本的なMOS構造です。n型基板上のPチャネル デバイスの場合、極性が反転し、負のゲート電圧によってチャネルが形成されます。

MOSFETの制御方法

MOSFETは電流ではなく電圧によって制御されます。ゲート-ソース間電圧 (VGS) によって形成される電界が、ドレインとソース間のチャネルが導通するかどうかを決定します。また、ゲート自体にはほとんど電流が流れません。

一般的なエンハンスメントモード デバイスでは、MOSFETはノーマリーオフです。VGSがしきい値電圧VGS(th) を超えるとチャネルが形成され、そのときにのみ導通します。デプレッションモード デバイスはこれとは逆の動作をします。VGS = 0 Vではノーマリーオンで、逆極性のゲート電圧によってオフになります。

エンハンスメントモードMOSFETとデプレッションモードMOSFET

 

ゲートは電圧制御で、定常電流をほとんど消費しないため、MOSFETは制御に必要な電力がごくわずかです。これが、MOSFETが高効率で駆動しやすい大きな理由の一つです。

ドレインからソースへの電流の流れ

MOSFETの電流は、多数キャリア (デバイスの種類に応じて電子または正孔) のチャネルを通って、ドレイン端子とソース端子の間を流れます (Nチャネル デバイスでは電子、Pチャネル デバイスでは正孔) 。

NチャネルMOSFETでは、ゲート電圧がソース電圧より高いと、ドレインとソースの間に電子チャネルが形成され、電流が流れます。PチャネルMOSFETでは、ゲート電圧がソース電圧より低いと、正孔チャネルが形成され、逆方向に電流が流れます。

MOSFETは、完全にオンのとき、対称なチャネルによりどちらの方向にも導通できます。オフのときでも、寄生ボディダイオードにより電流は一方向に流れます。これは同期整流回路やブリッジ回路では重要な点です。

MOSFETの効率

MOSFETの効率は、導通損失が小さいこととスイッチング損失が小さいことの2点によります。

導通損失はオン抵抗RDS(on)によって決まります。オン抵抗が低いほど、電流を流している間にデバイスが熱として浪費する電力は少なくなります (P = I² × RDS(on))。スイッチング損失はゲート電荷Qg (ゲートを各サイクルでオン/オフするために必要な電荷) に関係しており、 Qgが低いほどスイッチングが速く、エネルギー消費量も少なくなります。

MOSFETは多数キャリアデバイスであるためスイッチングが非常に高速で、高周波でもスイッチング損失を低く抑えられます。先進的な構造ではこの特性がさらに向上します。トレンチ型MOSFETは、非常に低いRDS(on) と低いQgを両立し、低電圧 高電流用途で高効率を実現します。一方、スーパージャンクション型MOSFETは、高耐圧で非常に低いRDS(on) を実現します。

実際には、パワーMOSFETは通常、数十kHzから数百kHzの範囲でスイッチングします。また、低電圧トレンチ型デバイスは、高周波DC-DCコンバーターで1 MHz超の動作が可能です。さらに将来を見据えると、ワイドバンドギャップのGaN FETはシリコンに比べて約5～10倍高速にスイッチングでき、最大4倍の電力密度を実現できます。これにより、より低温でよりコンパクトな設計が可能になります。

MOSFETの種類

MOSFETはいくつかの軸で分類されます。

  • 電荷キャリア: Nチャネル型とPチャネル型
  • 動作モード: エンハンスメント モード (ノーマリーオフ) とデプレッション モード (ノーマリーオン)
  • 電力領域: 小信号MOSFETとパワーMOSFET
  • 構造と技術: 平面型、トレンチ型、スーパージャンクション型

これらの違いは、RDS(on) 、ゲート電荷、ブレークダウン電圧などの主要パラメーターに影響し、特定の設計に適したデバイスの選定指針となります。

ハイサイドおよびローサイドMOSFETの駆動

MOSFETの駆動方法は、主に回路内でスイッチが配置される位置によって決まります。

ローサイド スイッチは、負荷とグランドの間に配置されます。ソースをグランドに接続すると、ゲートをグランドより数V高く駆動するだけでデバイスをオンにできます。そのため、ローサイドのNチャネルMOSFETは、最も簡単かつ効率的に駆動できる方式の1つです。

ハイサイド スイッチは電源と負荷の間に配置されるため、ソースは電源電圧付近まで浮きます。そのため、ゲート駆動はより難しくなります。

  • PチャネルMOSFETは、ゲートをソースより低い電位に引き下げるとオンになるため、ハイサイド制御を簡素化できます。ブートストラップやチャージポンプは不要です。
  • ハイサイドNチャネルMOSFETは高効率 (RDS(on)が低い) ですが、レベルシフトとブートストラップまたはチャージポンプ回路を使用してゲートを電源レールより上に持ち上げる専用のゲートドライバが必要となります。

まとめ:

  • ローサイド スイッチングにはNチャネルMOSFETを使用し、効率が重要なハイサイド設計では適切なドライバと組み合わせて使用してください。
  • 単純なハイサイド制御が優先される場合は、 PチャネルMOSFETを使用してください。

MOSFETの詳細

推奨製品

MOSFETに関するよくある質問

MOSFETとは？

金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) は、スイッチングや増幅に使用される電圧制御型の半導体デバイスです。主な端子はゲート、ドレイン、ソースの3つ (加えて内部ボディダイオード) で、制御電流ではなくゲートによる電界で制御されます。

MOSFET技術の詳細については、こちらをご覧ください。

ほとんどの電力回路やデジタル回路の設計では、はい、MOSFETは電子スイッチとして使用されます。ゲート電圧がしきい値を超えると完全にオン (低抵抗経路) になり、しきい値を下回るとオフ (開回路) になります。

MOSFETは線形領域ではアナログ増幅器としても機能しますが、最も一般的な役割はスイッチングです。実際の回路でMOSFETをスイッチとして使用する方法については、「MOSFETはどのようにスイッチとして動作するのか」を参照してください。

MOSFETは電圧制御型です。ゲート-ソース間電圧 (VGS) によってドレイン-ソース間に流れる電流の大きさが決まり、ゲート自体には実質的に電流が流れません。これが電流制御型のBJTとの決定的な違いです。

ゲートは二酸化ケイ素の絶縁層によってチャネルから分離されているため、直流電流は流れません。

MOSFETは、ゲート-ソース間電圧がゲートしきい値電圧 (VGS(th)) を超えるとオンになり、ドレインとソースの間に導電チャネルが形成されます。VGSがそのしきい値を下回るとオフになり、チャネルは消滅します。

エンハンスメントモードMOSFETでは、正のゲート電圧でNチャネルデバイスがオンになります。一方、デプレッションモードデバイスは逆の動作をします。

MOSFETはトランジスタの一種で、金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) です。MOSFETは電界効果トランジスタ (FET) ファミリーに属し、バイポーラトランジスタ (BJT) とは異なる動作をします。ベース電流ではなく、絶縁されたゲートに生じる電界によって制御されます。

すべてのトランジスタの基本的な原理については、 「トランジスタの動作原理」を参照してください。

導通とスイッチング動作を左右するパラメーターは次のとおりです。

  • RDS(on): 導通損失と温度上昇に影響します
  • ゲート電荷 (Qg): スイッチング サイクルごとに必要な駆動エネルギーを決定します
  • 安全動作領域 (SOA): 過渡現象発生時に許容される電圧、電流、および時間の組み合わせを定義します
  • ボディダイオード: 逆電流挙動および同期整流器の設計に影響を与えます

データシートのパラメーターは、MOSFETの選定の指針になります。

  • VDSは、過渡的なサージに対するマージンを含めた最大耐圧を規定します
  • ID は、特定の熱条件下での連続電流を反映します
  • RDS(on)は導通損失を決定します
  • ゲート電荷 (Qg) と容量は、スイッチング損失とゲートドライバのサイジングに影響します

設計者は、SOA曲線、熱抵抗、パッケージ定格、ダイオード特性も確認する必要があります。

降伏電圧仕様の読み方と適用方法の詳細については、 「MOSFETの電圧定格 - 降伏電圧仕様の読み方と適用方法」を参照してください。

MOSFETの選定は、アプリケーション要件、動作電圧、制御方式、求められるスイッチング性能によって決まります。経験則をいくつか示します。

  • モーター制御: 導通損失を抑えるために低い RDS(on)を優先し、誘導性スパイクに対して十分な VDSマージンを確保し、モーターの PWM 周波数で効率的にスイッチングするために管理可能な Qgを確保します。
  • スイッチング電源: 十分なVDSブレークダウン電圧、効率のための低RDS (on) 、およびスイッチング損失低減のための低Qgと逆回復電荷 (Qrr) を重視します。

選定のポイントは、スイッチの配置箇所と、その駆動方法です。

  • NチャネルMOSFETは電子を使用し (移動度が高く、オン抵抗RDS(on)が低い）、ソースを接地するので、ローサイドスイッチングに最適です。これらは、同期整流器やDC-DCコンバータなどの高効率設計において主流となっています。
  • PチャネルMOSFETはキャリアとしてホールを用いるため (同じダイ面積でより高いRDS(on)が得られます) が、ソースが正電源基準となるハイサイドスイッチングを簡素化します。

MOSFETはゲート-ソース間電圧 (VGS) だけで駆動します。ゲートには定常電流は流れませんが、ゲート容量は各サイクルで充放電する必要があり、これをゲート電荷 (Qg) で定量化します。

エンハンスメントモードのデバイスは、VGSがVGS(th)を超えるまでオフ状態を維持するため、ゲートドライバICまたは抵抗プルダウンを使用してオフ状態を定義します。ゲートの駆動方法は、ハイサイドとローサイドの配置によって異なります。 上記でハイサイドおよびローサイドMOSFETを駆動する。

エンハンスメントモードNチャネルMOSFETは、導通損失が低く、駆動要件がシンプルで、入手性も高いため、最も一般的です。

「ノーマリーオン」とはデプレッションモードMOSFETを指し、ゲート電圧が0 Vでも電流が流れます。OFFにするには外部のゲート バイアスが必要です。

パワーMOSFETは、高電流、高電圧に対応するために垂直構造を採用し、低RDS(on)と高速スイッチングにより電力変換を実現します。小信号MOSFETは横型構造を採用しており、低消費電力、低電流のアナログ用途またはロジックレベル用途向けに最適化されています。

CMOS (相補型金属酸化膜半導体) 回路は、NチャネルMOSFET (NMOS) とPチャネルMOSFETを組み合わせ、どちらか一方が常にオフになるようにすることで、静的消費電力をほとんどゼロに抑えます。この高い効率性により、CMOSロジックは、プロセッサ、メモリ、ロジック チップなど、現代のほぼすべてのデジタル集積回路の基盤となっています。

バイポーラ接合トランジスタ (BJT) とは異なり、これらのMOSFETは駆動電流をほとんど必要としないため、CMOS回路を低温かつ高密度に保ち、デジタル回路とアナログ回路の両方で動作させることができます。