MOSFETとは？

MOSFET (金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ) は、電圧制御型の半導体スイッチです。MOSFETをスイッチとして使用することは最も一般的です。絶縁されたゲートに電圧を印加すると、ドレイン-ソース間の電流をオンまたはオフに切り替えられます。一方、ゲート自体にはほとんど電流が流れません。この高速かつ高効率な電圧駆動スイッチングの組み合わせにより、MOSFETは電子スイッチングの標準的な選択肢となっています。

動作原理の詳細については、「MOSFETの動作原理」を参照してください。

電界効果トランジスタの概要については、 「電界効果トランジスタ（FET）とは何か」を参照してください。

MOSFETのゲート、ドレイン、ソースの模式図

MOSFETの動作原理の模式図

MOSFETの特性

スイッチとしてのMOSFETは、完全オンと完全オフの間をどれだけ明確に移行できるかによって特徴付けられます。

  • オン状態では、オン抵抗 (RDS(on)) が非常に低いため、電圧降下が小さく、電力損失も小さくなります。
  • オフ状態では、ドレイン端子間の電圧をほぼ漏洩なく遮断します。つまり、実質的に開回路の状態になります。
  • これは多数キャリア方式のデバイスであるため、高速スイッチングが可能であり、高周波においてもスイッチング損失を低く抑えることができます。
  • ゲート端子は電圧制御で、連続的な制御電流を必要とするバイポーラ接合トランジスタ (BJT) とは異なり、定常電流をほとんど消費しません。そのため、オン/オフ状態を維持するための電力はごくわずかです。

MOSFETスイッチは、ほとんどの時間、完全にオフまたは完全にオンのいずれかの状態にあります。両者の間の短い遷移でスイッチング損失が発生するため、高速スイッチングが重要です。

安全なスイッチングを制限する詳細な電圧制限 (ブレークダウン定格とディレーティング) は、デバイスのデータシートに記載されており、 「MOSFETの電圧定格 - ブレークダウン電圧仕様の読み方と適用方法」で説明されています。

MOSFETの種類

MOSFETスイッチには、Nチャネル (ローサイドで効率的なスイッチングに最適) とPチャネル (ハイサイドをより簡単に構成可能) があり、さらにエンハンスメント 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) があります。

パワーMOSFETはより高い電流と電圧を扱うのに適している一方、小信号タイプのMOSFETはロジック負荷に適している。ローサイド構成では導通損失が抑えられるため、Nチャネルデバイスが好ましいです。

例えば、インフィニオンのNチャネルMOSFET製品のラインアップは、幅広いアプリケーションで効率的なスイッチングを実現するように最適化されたデバイスです。

MOSFETの種類と構造の詳細については、MOSFETの動作原理参照してください。

MOSFETの動作モード: エンハンスメント型とデプレッション型

MOSFETの動作

ゲート電圧からドレイン電流へ

スイッチとして使用されるエンハンスメントモードMOSFETは、ノーマリーオフです。しきい値電圧 (VGS(th)) より数ボルト高いゲート ソース間電圧を印加すると、チャネルが形成されてオンになり、ドレインからソースへの低抵抗経路が作られます。ゲート電圧を取り除くと、再びオフになります。ゲートが絶縁されているため、どちらの状態を維持するにもほとんど電力は必要ありません。

トランジスタの最も一般的な用途の1つは、スイッチとしての使用です。スイッチング回路では、MOSFETは負荷を制御するために、オフ状態とオン状態を高速に切り替えます。負荷が誘導性 (モーター、リレー、ソレノイドなど) の場合、デバイスがオフに切り替わる際に発生する電圧スパイクを吸収するため、フライバック ダイオードが必須です。

アプリケーション例

スイッチ回路

代表的なMOSFETスイッチング回路には、次のようなものがあります。

  • LEDドライバ: MOSFETはLEDを流れる電流を制御します
  • リレードライバ: マイクロコントローラーはMOSFETを使用してリレーを安全に切り替えます。機械式リレーとは異なり、ソリッドステートスイッチは高速で静音性に優れ、事実上無制限のスイッチングサイクル数を備えています
  • モータードライバ: MOSFETはDCモーターの電流を制御し、多くの場合、PWM (パルス幅変調) でスイッチングして速度を制御します。

これらの回路では、MOSFETがオフ状態と完全オン状態の間を高速にスイッチングすることで、負荷を効率的に電子制御できます。

電力変換

MOSFETは電力変換で主流です。DC-DCコンバータ、モーター制御、Hブリッジ ドライバ、バッテリー管理システムはいずれも高速なMOSFETスイッチングに依存しています。これには、電源やインバーターにおける高電圧スイッチングも含まれます。Hブリッジは4つのデバイスを使用して、モーターを正逆いずれの方向にも駆動します。

MOSFETがパワーエレクトロニクス分野でどのように使用されているのか詳しく知りたい場合は、「電界効果トランジスタ (FET) とは何か」を参照してください。

ロジック (CMOSおよびNMOS) 、MCUインターフェース、およびレベルシフト

システムボード レベルでは、MOSFETはICだけでは処理できないインターフェース機能を担います。

  • レベルシフト。3.3 VのマイクロコントローラーのGPIOは、5 Vまたは12 Vの周辺機器を直接駆動できません。単一のNチャネルMOSFETで論理信号をレベルシフトできます。ゲートがより高い電源電圧に引き上げられると、ソースがドレインに追従し、信号が変換されます。双方向レベルシフターは、I²Cなどのオープンドレイン バスに対応します。
  • マイクロコントローラーの負荷インターフェース。約25 mAを超える電流を消費する負荷は、トランジスタ回路を通して駆動する必要があります。MCUのGPIOがゲートを駆動し、MOSFETが負荷を駆動します。これは、モーター、ソレノイド、高輝度LED、発熱体、ファンに適用されます。
  • デジタル ロジック。TTLおよびCMOSロジック ファミリーは、ほぼすべてトランジスタで構成されています。最新のCMOSはMOSFET (NMOSとPMOSデバイスの組み合わせ) で構成され、古いファミリーはバイポーラ トランジスタで構成されています。デジタル システムのNANDゲート、フリップフロップ、マルチプレクサ、レジスタはすべて、ナノ秒スケールでスイッチング動作を行うトランジスタの構成であり、数十億個ものトランジスタがあらゆるプロセッサの集積回路を構成しています。
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MOSFETをスイッチとして使用する仕組みに関するよくある質問

MOSFETの動作モードにはどのようなものがありますか？

MOSFETは構造上、エンハンスメント モード (ノーマリーオフで、オンにするにはゲート電圧が必要) またはデプレッション モード (ノーマリーオンで、オフにするにはゲート電圧が必要) のいずれかです。スイッチとしては、カットオフ (完全にオフ) と低抵抗のオン状態という2つの状態の間で動作します。

主な違いは、NチャネルとPチャネル、エンハンスメント モードとデプレッション モード、そしてパワー デバイスと小信号デバイスです。スイッチング用途では、エンハンスメント モードのNチャネル パワーMOSFETが最も一般的です。

概要の詳細については、「MOSFETの動作原理」を参照してください。

ローサイド スイッチングの場合、導通損失を最小限に抑えるため、RDS (on) が低いエンハンスメント モードのNチャネルMOSFETを選択してください。

ハイサイド スイッチングの場合は、Pチャネル デバイス (駆動が簡単) または専用のゲート ドライバを用いたNチャネル デバイスのいずれかを使用します。いずれの場合も、デバイスは最大ドレイン-ソース間電圧を余裕をもって遮断でき、かつ負荷電流を十分な余裕をもって流せる必要があります。

デバイスをスイッチング用途に合わせて選定してください。最大ドレイン-ソース間電圧を余裕をもって遮断し、十分低いRDS(on) で負荷電流を流し、動作周波数に対して十分な速さでスイッチングし、かつ熱設計および安全動作領域 (SOA) の制限内に収まる必要があります。

詳しい選択手順については、 「MOSFET の動作原理」を参照してください。

MOSFETは、ゲート電圧をしきい値より高く印加するとオンになり、ゲート電圧をしきい値より低く戻すとオフになります。ゲート容量が小さい小信号MOSFETの場合、Arduinoなどのマイクロコントローラーでゲートを直接駆動できます。パワーMOSFETでは、遷移損失を最小限に抑えるために、より大きなゲート容量を十分に速く充電できる専用のMOSFETドライバ (ゲート ドライバIC) が必要です。

駆動の詳細については、 「MOSFETの動作原理」を参照してください。

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