金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET)

パワーMOSFETは電圧制御デバイスの一種で、BJTなどの電流制御デバイスよりも低消費電力で動作します。これらのデバイスはノンラッチであり、BJTと同様に、オンのままにするには連続ゲートソース電圧が必要です。しかし、MOSFETは、他のパワースイッチを凌駕し、メガヘルツオーダーで動作する優れたスイッチング速度によって区別されます。

MOSFETには、デプレッションとエンハンスメントの2種類があります。

デプレッション型MOSFETは通常オンの電気スイッチとして機能し、エンハンスメント型MOSFETは通常オフの電気スイッチとして機能します。

MOSFETの構造

MOSFETは、ソース (S)、ゲート (G)、ドレイン (D)、ボディ端子の4つの端子を持つ電子デバイスです。ボディ端子はソース端子に頻繁に接続されているため、使用可能な端子の総数が減少します。

図11は、P型材料と高ドープNドレイン領域とソース領域からなる基板で構成されるNチャネルエンハンスメント型MOSFETの構成とシンボルを示しています。

図13 : Nチャネルエンハンスメント型MOSFET

図12は、Pチャネルエンハンスメント型MOSFETの構成とマークを示しています。このMOSFETはN型基板とP+高濃度のドーピングドレイン領域とソース領域からなる。正電荷を帯びた正孔の動きによって電流が流れるため、PチャネルMOSFETになります。

図14 : Pチャネルエンハンスメント型MOSFET

MOSFETの動作と特性

Nチャネルエンハンスメント型MOSFETでは、正のゲート・ソース間電圧 (VGS) を印加すると、下にあるP型のサブストレートから電子が引き寄せられ、酸化物層の下の表面に電子が蓄積します。しきい値電圧 (VT) に達すると、臨界数の電子が蓄積して仮想のNチャネルを形成し、ドレインからソースへの電流の流れを可能にします。Pチャネルの機能は類似しており、電流の流れは正電荷を帯びた正孔に起因し、電流と電圧の極性が逆になります。

図15 : Nチャネルエンハンスメント型MOSFETの出力特性

図13に、Nチャネルエンハンスメント型MOSFETの出力特性を示します。この図には、カットオフ、リニア、飽和 (アクティブ) 領域の3つの異なる動作領域が示されています。飽和領域の概念がBJTの概念と異なることに注意することが重要です。VGS < VT、VTの場合、デバイスはオフになり、カットオフ領域で動作します。逆に、VGS > VT; VTの場合、デバイスはリニアモードまたは飽和モードのいずれかで動作できます。リニア (またはオーミック) モードでは、VDS < VGS–VT、飽和モードで、VDS > VGS–VT、リニアモードでは、ドレイン電流 (ID) はドレイン・ソース間電圧 (VDS) に比例して変化します。パワーMOSFETは、低ドレイン電圧と高ドレイン電流のため、スイッチングアプリケーションのリニア領域で一般的に使用されています。逆に、ドレイン電流は、VDSの変化に関係なく、飽和モードではほぼ一定のままです。

図16 : MOSFETのスイッチング特性

パワーエレクトロニクスでは、ターンオン遅延時間 (td(on)) は、ゲート・ソース間電圧がVGSの10%を超える時点からドレイン・ソース間電圧がVDSの90%に下がる時点までの時間として定義されます。立上り時間 (tr) は、ドレインとソース間の電圧がVDSの90%から10%まで減少するのに必要な時間に関係しています。ターンオン (ton) 時間は、td (on) とtrの合計です。これに対応して、ターンオフ遅延時間 (td(off)) は、ゲート・ソース間電圧がVGSの90%を下回る時点からドレイン・ソース間電圧がVDSの10%に達する時点までの間隔です。立ち下がり時間 (tf) は、ドレイン・ソース間電圧がVDSの10%から90%に上昇する時間間隔です。ターンオフ時間は、td (off) とtfの合計です。

MOSFETのアプリケーション

MOSFETは、さまざまなパワーエレクトロニクスのアプリケーションで広く使用されています。

DC/DCコンバータ

DC/DCコンバータは、MOSFETを使用して動作することができ、コンバータのさまざまな動作モードで電力の流れを制御することができます。これは特に昇降圧コンバータに適用されます。

モータ制御

MOSFETは、パルス幅変調 (PWM) などのさまざまな方法を実装することで、DCまたはステッパモータの伝導を制御できるモータ制御に使用されてきました。

その他のアプリケーション

インバータ、スイッチモード電源 (SMPS)、チョッパー、無停電電源 (UPS) などにも使用されています。