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MOSFETとは?

MOSFET(Metal Oxide S emiconductor Field Effect Transistor)は、通常、電圧制御スイッチとして使用される半導体デバイスです。

これは、ゲート、 ドレイン、 およびソースの3つの端子で構成されています。MOSFETの主な目的は 、負荷に電力を効率的に供給することです。

MOSFETとは?
MOSFETとは?
MOSFETとは?

MOSFETはどのように機能しますか?

MOSFETは、ゲート、ソース、ドレインで構成される電圧制御デバイスです。ゲート電圧は通常、マイクロコントローラまたはドライバICによって供給されます。

ゲート端子にゲート電圧を印加することで、ソースからドレイン端子に電流が流れ始めます。

MOSFETはどのように機能しますか?
MOSFETはどのように機能しますか?
MOSFETはどのように機能しますか?

電流の流れの効率を理解するために、デバイスのRDS(on)定格を見てみましょう。RDS(on)は、デバイスがオンのときのソース端子からドレイン端子への抵抗です。この定格は、オームまたはミリオームで測定されます。

RDS(on)レーティング
RDS(on)レーティング
RDS(on)レーティング

MOSFETには、エンハンスメントとデプレッションの2つの異なるモードがあります。どちらのモードにも、N チャネルと P チャネルの 2 つのチャネル タイプがあります。エンハンスメントモードとは、デバイスが常にオフであり、オンになるにはゲート電圧が必要であることを意味します。

一方、デプレッションモードとは、デバイスが常にオンであり、オフにするにはゲート電圧が必要であることを意味します。現在、最も一般的に使用されているMOSFETはNチャネルエンハンスメントタイプのデバイスです。

2つの異なるMOSFETモード
2つの異なるMOSFETモード
2つの異なるMOSFETモード

MOSFETの構造

MOSFETは、その構造に関しては横方向または垂直にすることもでき、これはMOSFETの導電チャネルが横方向または垂直であることを意味します。

ラテラルMOSFET構造

横方向の構造では、3つの端子すべてがシリコンダイの同じ側の上部にあります。

これはプレーナタイプのMOSFETでは非常に一般的であり、現在でも小信号タイプなどの低電力MOSFETに使用される場合があります。

ラテラルMOSFET構造
ラテラルMOSFET構造
ラテラルMOSFET構造

縦型MOSFET構造

縦型MOSFETでは、ここに示すように、ゲート端子とソース端子は通常、ダイの同じ側の上部にあり、ドレイン端子は垂直の反対側にあります。

このタイプの構造はトレンチMOSFETとして知られており、今日MOSFETサプライヤーによって最も使用されている設計です。たとえば、 CoolMOS™、 OptiMOS™、StrongIRFET™はすべて縦型トレンチMOSFETです。

縦型MOSFET構造
縦型MOSFET構造
縦型MOSFET構造
N型エンハンスメントモードプレーナMOSFET
N型エンハンスメントモードプレーナMOSFET
N型エンハンスメントモードプレーナMOSFET

N型エンハンスメントモードプレーナMOSFETを使用して、MOSFETの構造を深く掘り下げてみましょう。最も重要な要素は、金属酸化物半導体界面であり、その動作に関与しているためです。ここでは、N型エンハンスメントモードプレーナMOSFETの詳細な構造を見ることができます。

MOSFET構造の基本は、ホウ素原子を軽くドープしてわずかにP型の濃度にしたシリコン材料です。これをp基板と呼びます。ソースとドレイン領域を構築するために、N型原子の高エネルギーおよび高濃度のインプラントが使用されます。

酸化膜は、酸化水素が薄いため、ソースとドレインの間のシリコン領域上にあり、これらの領域が部分的に重なっています。ゲート電圧が印加されると、ゲートの下に負の原子が引き寄せられ、Nチャネルが形成されます。この瞬間、電流が流れ始めます。

その他の製造工程は、MOSFETの種類によって異なる場合がありますのでご注意ください。それにもかかわらず、これらはMOSFETの基本的な動作構成要素です。

NチャネルMOSFETの動作モード

MOSFETは、デプレッション、アキュムレーション、インバージョンという3つの異なるモードで動作します。

これらのモードは、MOSFETチャネルのステータスを参照し、以下で説明します。

デプレッションモードとは、MOSFETがオフ状態にあることを意味します。これは、ゲートの電圧がゲートしきい値電圧よりも低い場合です。

ゲートしきい値電圧は、ドレイン端子とソース端子の間にチャネルを形成するために必要な最小電圧です。

したがって、ゲート電圧がゲートしきい値電圧よりも低い場合、ドレインとソースの間に空乏が形成され、MOSFETはオフ状態になります。このように、電流は流れません。

枯渇モード
枯渇モード
枯渇モード

蓄積モードは、ゲート電圧がゼロを超えて増加しても、しきい値電圧よりも低い場合に発生します。これは、正のゲート電圧により、チャネル形成の開始時に発生します。

チャネルで非常に小さなサブスレッショルドまたはリーク電流が発生している可能性があることに注意してください。ここで、ゲートの下のP基板の極性が変化し始める反転層が形成され始めます。

枯渇モード
枯渇モード
枯渇モード

反転モードには、次の 2 種類の操作があります。

› 三極管またはリニアモード

› 彩度モード

まずは最初のものに焦点を当てましょう。この動作モードでは、電流は印加されたドレイン電圧に比例して線形に増加します。

この場合、ゲート電圧はゲートしきい値電圧よりも高くなります。反転層が増加し、ドレイン端子とソース端子の間にNチャネルが形成されるため、電流が流れます。この電流はゲート電圧とドレイン電圧に比例し、ゼロよりも高くなります。

一方、飽和モードは、デバイスを流れる電流が横ばいまたは平坦になり始めたときに発生します。

これは、印加されたドレイン電圧で電流が長期間にわたって直線的に増加できないために発生します。

ドレイン電圧がゲート電圧とスレッショルド電圧の差に等しい値に達すると、導電チャネルは「ピンチオフ」になり、電流は一定のままになります。

この「ピンチオフ」は、ドレイン電圧の増加によって引き起こされるドレイン端子への逆バイアス効果によって発生します。

枯渇モード
枯渇モード
枯渇モード

電流-電圧曲線の例

右側は、線形モードと飽和モードに関連する典型的なデータシートの曲線で、電圧と出力電流の関係を確認できます。

電流-電圧曲線の例
電流-電圧曲線の例
電流-電圧曲線の例

このグラフを分析すると、ゲート-ソース間電圧のさまざまな値に適用されるドレイン-ソース間電流とドレイン-ソース間電圧の関係を確認できます。

ここで、点線は、印加されたドレイン電圧に伴って電流が直線的に増加するまで、飽和境界のエッジを示しています。この制限を超えると、ドレイン電流はドレイン電圧の増加に伴ってほぼ一定に保たれます。

ドレイン-ソース電流とドレイン-ソース電圧の関係
ドレイン-ソース電流とドレイン-ソース電圧の関係
ドレイン-ソース電流とドレイン-ソース電圧の関係

このグラフを分析すると、ゲート-ソース間電圧のさまざまな値に適用されるドレイン-ソース間電流とドレイン-ソース間電圧の関係を確認できます。

ここで、点線は、印加されたドレイン電圧に伴って電流が直線的に増加するまで、飽和境界のエッジを示しています。この制限を超えると、ドレイン電流はドレイン電圧の増加に伴ってほぼ一定に保たれます。

また、このグラフは、ドレイン電圧の固定値に対するドレイン電流と印加ゲート電圧の関係を示しています。

ご覧のとおり、ゲート電圧がしきい値電圧を超えると、電流は急速に増加します。

しきい値電圧に達する前に、ある程度の電流が流れていることに注意してください。これは、サブスレッショルド電流またはリーク電流と呼ばれます。

ドレイン-ソース電流とドレイン-ソース電圧の関係
ドレイン-ソース電流とドレイン-ソース電圧の関係
ドレイン-ソース電流とドレイン-ソース電圧の関係

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