BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC などのパワーエレクトロニクス スイッチング部品は、単純なドライバ回路から複雑なパワー整流器やインバータまで、多くの回路設計に使用される重要な部品です。 その中でも最も基本的なものはBJTであり、BJTトランジスタの動作は既に学習済みである。 BJTの次に広く使われているパワースイッチはMOSFETである。 BJTに比べ、MOSFETは高電圧、大電流を扱うことができるため、大電力の用途によく使われている。 今回は、MOSFETの基礎知識、内部構造、動作原理、回路設計への活用方法について学びます。 また、MOSFETの内部構造、動作原理、回路設計への活用方法など、MOSFETの基本的な知識についても解説しています。
MOSFETとは
MOSFETはMetal Oxide Field Effect Transistorの略で、FETの欠点である高いドレイン抵抗、中程度の入力インピーダンス、遅い動作時間を克服するために発明されたものである。 そのため、MOSFETはFETの発展型といえる。 また、MOSFETはIGFET（Insulated Gate Field Effect Transistor）と呼ばれることもある。 MOSFETは電圧制御のデバイスで、ゲート端子に定格電圧をかけると、ドレイン端子とソース端子で導通が始まります。 詳細は後述します。
FETとMOSFETの主な違いは、MOSFETのゲート電極が酸化金属で、主半導体のnチャネルまたはpチャネルから二酸化ケイ素またはガラスの薄膜で電気的に絶縁されている点である。 ゲート電極が絶縁されているため、MOSFETの入力抵抗はメガ・オーム（MΩ）級に高くなります。
MOSFETの記号
一般にMOSFETは、ドレイン（D）、ソース（S）、ゲート（G）とボディ（B）／基板端子からなる4端子デバイスです。 ボディ端子は常にソース端子に接続されているため、MOSFETは3端子デバイスとして動作する。 下図では、左側がNチャネル型、右側がPチャネル型のMOSFETの記号を表しています。
MOSFETのパッケージはTo-220が一般的ですが、理解を深めるために有名なIRF540N MOSFETのピン配置を見てみましょう（下図）。 ゲート、ドレイン、ソースピンは以下のとおりですが、これらのピンの順序はメーカーにより異なることを忘れないでください。 その他の一般的なMOSFETは、IRFZ44N、BS170、IRF520、2N7000など
MOSFET as a Switch
MOSFETの最も一般的な用途はスイッチとして使用することです。 下の回路は、MOSFETをスイッチとして動作させ、ランプのON/OFFを行うものです。 ゲート入力電圧VGSは、入力電圧源から印加されます。 印加電圧が正の場合、モータはONの状態になり、印加電圧が0または負の場合、ランプはOFFの状態になります。
Mosfetのゲート端子に必要な電圧を与えてONにすると、ゲートに0Vを供給しない限りONのままとなる。 この問題を避けるために、必ずプルダウン抵抗（R1）を使用する必要があります。ここでは、10kの値を使用しました。 モーターの速度制御や照明の調光などの用途では、PWM信号で高速スイッチングを行いますが、このときMOSFETのゲート容量が寄生効果により逆電流を発生させます。 これに対処するため、電流制限用コンデンサを使用する必要があります。ここでは470の値を使用しました。
上記の負荷は抵抗負荷とみなされるため、回路は非常にシンプルです。誘導負荷または容量負荷を使用する必要がある場合、MOSFETが損傷しないように何らかの保護を使用する必要があります。 例えば、電荷のない容量性負荷を使用すると短絡とみなされ、大きな突入電流が発生します。また、誘導性負荷から印加電圧を取り除くと、磁界が崩壊したときに回路内に大量の逆電圧が蓄積され、インダクタの巻線に誘導逆起電力が発生することになります。
MOSFETの分類
MOSFETは動作の種類によってエンハンスメントモードMOSFET（E-MOSFET）とデプレッションモードMOSFET（D-MOSFET）に分類され、さらに構成材料によってnチャネルとpチャネルに分類される。 つまり、一般的には4種類のMOSFETがある
- N-Channel Depletion mode MOSFET
- P-Channel Depletion mode MOSFET
- N-Channel Enhancement mode MOSFET
- P-Channel Enhancement mode MOSFET
＜6024＞＜4279＞NチャンネルのMOSFETをNMOSと呼び、次の記号で表している。
MOSFETの内部構造として、デプレッション・モードMOSFETではゲート（G）、ドレイン（D）、ソース（S）端子は物理的に接続されていますが、エンハンスメント・モードでは物理的に分離されるため、エンハンスメント・モードMOSFETでは記号が壊れて見えるのはこのためです。 PチャンネルMOSFETはPMOSと呼ばれ、次の記号で表される。
このうち、NチャンネルエンハンスメントMOSFETは最もよく使われるMOSFETである。 しかし、知識を深めるために、その違いに触れてみましょう。 NチャンネルMOSFETとPチャンネルMOSFETの大きな違いは、Nチャンネルでは、ゲート電圧が供給されるまでMOSFETのスイッチは開いたままであることだ。 同様に、エンハンスメント・モードとデプレッション・モードのMOSFETの主な違いは、E-MOSFETに加わるゲート電圧は常に正でなければならず、完全にオンする閾値電圧があることである。 D-MOSFETの場合、ゲート電圧は正でも負でもよく、完全にオンすることはない。 また、D-MOSFETはエンハンスメントモードとデプレッションモードで動作しますが、E-MOSFETはエンハンスメントモードでしか動作しないことに注意してください。
MOSFETの構造
下の図はMOSFETの典型的な内部構造を示しています。 MOSFETはFETの発展型で、FETと同じ3端子で動作しますが、その内部構造は一般のFETとは大きく異なっています。
構造を見ると、半導体と二酸化ケイ素（SiO2）の層で絶縁された薄い金属層にゲート端子が固定されており、ドレイン端子とソース端子が配置されたチャネル領域には2つのN型半導体が固定されているのが見えます。 MOSFETのドレインとソースの間のチャネルはN型であり、これとは逆に、基板はP型として実装される。 これにより、MOSFETは正負両極のバイアスをかけることができる。 MOSFETのゲート端子がバイアスされていないと、非導通状態になるため、MOSFETはスイッチや論理ゲートの設計に多く使用される。
MOSFETの動作原理
一般に、MOSFETはスイッチとして働き、MOSFETはソースとドレインの間の電圧と電流を制御する。 MOSFETの働きは、ソース端子とドレイン端子の間にある酸化膜より下の半導体表面であるMOSキャパシタに依存する。 ゲート電圧をプラスまたはマイナスそれぞれにかけるだけで、p型からn型に反転させることができる。 下図はMOSFETのブロック図です。
ドレイン-ソース間に電圧（VDS）を接続すると、ドレインには正の電圧が、ソースには負の電圧が印加される。 ここで、ドレインのPN接合は逆バイアス、ソースのPN接合は順バイアスになります。 この段階では、ドレインとソースの間に電流が流れることはありません。
ゲート端子に正の電圧（VGG）を印加すると、静電引力によりP基板中の少数電荷キャリア（電子）が、2つのn+領域の間に導電性のブリッジを形成するゲートコンタクトに蓄積され始めます。 ゲートコンタクトに蓄積される自由電子の数は、印加される正電圧の強さに依存する。 電圧が高いほど、電子の蓄積によって形成されるnチャネルの幅が大きくなり、最終的に導電性が高まり、ソースとドレインの間にドレイン電流（ID）が流れ始めます。
ゲート端子に電圧がかかっていない場合、少数電荷キャリアによるわずかな電流を除いては、電流は流れません。 MOSFETが導通を開始する最低電圧をしきい値電圧といいます。
MOSFETの動作（Depletion Mode）。
空乏モードMOSFETは、ゲート端子にバイアス電圧がかかっていないときは一般に閉状態であるため、通常「Switched ON」デバイスと呼ばれる。 ゲートへの印加電圧を正にすると、チャネル幅は空乏モードで増加する。 これにより、チャネルを流れるドレイン電流IDが増加する。 ゲート印加電圧のマイナスが大きいとチャネル幅が小さくなり、MOSFETがカットオフ領域に入る可能性がある。
VI特性：
ディプレッション・モードのMOSFETトランジスタのV-I特性は、ドレイン-ソース電圧（VDS）とドレイン電流（ID）で描かれています。 ゲート端子のわずかな電圧によって、チャネルに流れる電流が制御されます。 ドレイン-ソース間に形成されたチャネルは、ゲート端子のバイアス電圧がゼロになると良導電体として機能するようになります。 ゲートに正電圧を印加するとチャネル幅とドレイン電流が増加し、負電圧を印加すると減少します。
MOSFETのエンハンスメント動作：
MOSFETのエンハンスメント動作はオープンスイッチ動作と同様で、ゲート端子に正電圧（+VGS）がかかりドレイン電流がデバイスに流れ始めて初めて導通が開始されます。 バイアス電圧が増加すると、チャネル幅とドレイン電流が増加します。
VI特性：エンハンスメントモードMOSFETのVI特性は、ドレイン電流（ID）とドレイン-ソース間電圧（VDS）の間に描かれる。 VI特性はオーミック領域、飽和領域、カットオフ領域の3つに分割される。 カットオフ領域は、印加バイアス電圧がゼロとなるMOSFETのOFF状態となる領域である。 バイアス電圧を印加すると、MOSFETはゆっくりと伝導モードへ移行し、オーミック領域でゆっくりと伝導率が上昇する。 最後に飽和領域では、正の電圧が常に印加され、MOSFETは伝導状態にとどまります。
MOSFETのパッケージ
MOSFET には、さまざまな用途に対応できるように、パッケージ、サイズ、名称が用意されています。 一般に、MOSFETは、表面実装、スルーホール、PQFN、DirectFETの4種類のパッケージで納入されています
MOSFETは、以下のようにパッケージの種類ごとに異なる名称で提供されています：
Surface Mount（表面実装）: TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23, TSOP-6, etc.
Thru-Hole: TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247, etc.
PQFN: PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3.0, PQFN 2×3, PQFN 3×3.3×3.3、PQFN 5×4、PQFN 5×6 など
DirectFET : DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH など
DirectFET : DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME など