MOSFETスイッチ: パワーコンバータの基礎とアプリケーション

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MOSFETはどのように機能するか

金属酸化物半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) は、電界効果トランジスタ (FET) のカテゴリに分類される電子デバイスです。これらのデバイスは電圧制御電流源として機能し、主にスイッチとして、または電気信号の増幅に使用されます。MOSFETは、特定の電圧条件をゲートに印加することで制御されます。MOSFETがオンになると、電流はドレインからMOSFETのソースに、バルク (ボディとも呼ばれる) に生成されたチャネルを経由して流れます。ほとんどの場合、MOSFETのバルクはソースに接続されているため、MOSFETは一般に3ピンデバイスと呼ばれています。

図1: MOSFET

PチャネルMOSFETとNチャネルMOSFET

MOSFETは半導体ベースのデバイスで、主にp型またはn型のシリコンを使用して構築されます。これら2つのシリコンタイプの違いは、ドーパントイオンによって蓄積される電荷です。ドーパントイオンは、シリコンに注入されて電荷を不安定にするため、電子的な目的に役立ちます。シリコンの領域に5つの価電子を持つイオン (周期表の第5グループ) がドープされている場合、余分な電子が半導体に自由に設定されるため、電荷は全体的に負 (n型) になります。これらは電子に寄与するため、シリコン中のこれらの不純物はドナー不純物と呼ばれます。一方、価電子帯に電子が3つある元素には電子が不足し、正孔に寄与することと等価で、全体の電荷が正 (p型) になります。これらの不純物はアクセプタ不純物とも呼ばれます。図2は、p型半導体ドーパントとn型半導体ドーパントの違いと、それらがシリコン構造に与える影響を示しています。

図2: ドーパント - ドナー vs. アクセプタ不純物

最も単純なMOSFET構造は、p型またはn型の基板と、ドレインとソースを構成するバルクと反対の極性の2つのシリコン領域で構成されます (図3参照) 。MOSFETは、p型の基板と、n型のドレインおよびソース領域を持つように構築できます。つまり、ドレインからソースに電流を流すためには、チャネルもn型でなければなりません。これらはNチャネルMOSFET、またはNMOSトランジスタと呼ばれます。逆に、基板がn型の場合はチャネルがp型プになるため、MOSFETはPチャネルMOSFET、またはPMOSトランジスタと呼ばれます。

図3: MOSFET構造

エンハンスメント型とデプレッション型MOSFET

MOSFETの名前は、制御される構造から付けられます。ゲートピンは導電性電極に接続されており、導電性電極は酸化シリコンまたは他の誘電体材料の層によって基板から分離されています。したがって、ゲートに電圧を印加すると、金属ゲートから酸化物を介してシリコン基板 (金属酸化物半導体) に電界が発生します。この電界は基板半導体の自由電荷キャリア (正孔や電子など) に影響を与え、ゲートの近くに引き上げてチャネルを形成したり、押し離してチャネルを破壊したりします。

電界が半導体に印加されると、その電界はデバイスの自由電荷キャリアに作用します。半導体全体に均一に分布した自由電子は電界の入口点に引き寄せられ (正のゲート電圧を持つMOSFETの場合はゲート電極) 、正孔は電子とは反対の電界の方向に引きずられます (図4参照)。これをキャリアのドリフトといい、半導体内の電荷濃度分布を論理的に変化させます。

図4: 半導体キャリアのドリフト

MOSFETの主な目的は、ドレインとソース間のチャネルの生成を制御することです。これは、チャネルを作成または破壊するために、ゲートに最も近い領域に適切なキャリアを集中させることによって行われます。したがって、MOSFETは、デプレッション型MOSFETとエンハンスメント型MOSFETという2つの基本的なグループに区別できます。

デプレッション型MOSFETには事前に生成されたチャンネルが付属しています (図5参照)。ゲートに電圧が印加されると、電界によってチャネル内のキャリアが押し出され、チャネルが枯渇します。したがって、デプレッション型MOSFETはノーマルクローズ (通常閉) スイッチと同等とみなすことができます。

エンハンスメント型MOSFETでは、ゲート電圧が印加されたときにのみチャネルが現れ、電荷を引き付けてチャネル領域を拡張します。このタイプのMOSFETは、通常開スイッチと見なすことができますが、電力が失われるとスイッチがオフになり、回路に電流が流れなくなり、制御されていない動作が回避され、回路の安全性が高まるため、電子アプリケーションで最も一般的に使用されます。本稿の後半では、エンハンスメントNチャネル型MOSFETについてのみ説明します。

図5: デプレッションモードMOSFET

図6: エンハンスメントモードMOSFET

MOSFETの動作領域

これまで説明してきたことから、MOSFETの動作において最も重要な要素の一つは、ゲートに印加される電位であることは明らかです。実際、MOSFETの動作は、MOSFETのゲートとソースの間の電位 (VGS) によって定義されます。図7は、VGSがMOSFETを流れる電流に与える影響を示しています。エンハンスメントNチャネル型MOSFETでは、ゲートとソースの間に電位がない場合、チャネルは存在しません。この動作領域はカットオフ領域と呼ばれ、トランジスタがこの動作領域にあるとき、ドレインからソースに電流は流れません。つまり、MOSFETはオープンスイッチのように動作します。

ゲート電圧が上昇すると、チャネルが形成され始めますが、しきい値電圧と呼ばれる一定の電圧レベルに達するまで、ドレインとソース間の伝導はできません。しきい値に達すると、MOSFETに電流が流れ始めます。この領域は飽和領域と呼ばれ、電圧制御された電流源と比較できます。ゲート電圧が上昇すると、スイッチに流れる電流も増加します。小さなゲートの電圧変化で出力電流の変化が大きくなるため、この領域は主に信号増幅に使用されます (図7参照)。この電流は、共通ソースアンプの基礎となる抵抗の両端の電圧を変化させるために使用されます。

図7: ドレイン電流 vs. ゲート電圧

ゲート電圧が上昇し続けると、チャネルも増加します。飽和領域では、チャネルがドレイン領域とソース領域を完全に接続していないため、ソースとドレイン間の電圧は動作に大きな影響を与えません。しかし、ドレインとソースを接続するようにチャネルが十分に強化されると (これはピンチオフ電圧と呼ばれ、飽和領域の上限です)、MOSFETチャネルは完全に強化され、トランジスタは完全閉スイッチとして動作します。

この時点から、ドレインとソース間の電圧損失 (RDS(ON)) により、MOSFETは抵抗とみなすことができます。オーム領域またはリニア領域と呼ばれるこの新しい動作領域では、MOSFETの両端の電流が増加します。これは、MOSFETのドレインとソースの間に印加される電圧に直線的に比例しますが、ゲート - ソース間電圧によって制限されます (図8参照)。

図8: ドレイン電流 vs. ドレイン - ソース間電圧

また、図8によって、さまざまなアプリケーションにとってどの動作領域が役立つかを把握できます。先に述べたように、同じVDSではゲート電圧の小さな変化が電流に大変大きな変化をもたらすため、飽和領域は増幅に最適です。ただし、MOSFETが消費する電力は、電流とMOSFETの両端の電圧 (VDS)の積によって定義されるため、飽和領域は電流とドレイン - ソース間電圧が顕著であるため、電力効率に関しては最悪です。

したがって、MOSFETをスイッチングアプリケーションで使用する場合、MOSEFTが全開または全閉スイッチとしてのみ動作し、電力損失を低減することが不可欠です。つまり、カットオフ領域またはリニア領域でのみ機能し、飽和をできるだけ回避する必要があります。

パワーMOSFETの寄生成分

他の電子デバイスと同様に、デバイスに組み込まれている寄生要素、つまりデバイスの構造によって意図せずに作成された要素を考慮することが重要です。本稿ではすでにその一つであるオン抵抗について詳しく説明しましたが、MOSFET構造には他にも要素が組み込まれています (図9と図10参照)。

MOSFETに現れるその他の主な受動素子は、トランジスタの構造に作り出されるさまざまなコンデンサです。寄生コンデンサは数多く存在しますが、考慮すべき主なものは、ゲートとドレインの間、およびゲートとソースの間に形成されるコンデンサです。これらのコンデンサは、デバイスが動作可能な最大スイッチング周波数を制限します。

これらの受動素子に加えて、BJT (バイポーラジャンクショントランジスタ) は、ソース、ボディ、ドリフト領域によって形成されるN+-P-N-接合によって生成されます。このトランジスタは、MOSFETの安全な動作に不可欠です。誤ってオンすると、MOSFETが「ラッチアップ」状態になり、最大ブロッキング電圧が大幅に低下します。この電圧を超えると、BJTによってデバイスがアヴァランシェ・ブレークダウン状態になり、電流が制限されなければデバイスが破壊される可能性があります。したがって、ベース (ボディ) の電圧をエミッタ (ソース) の電圧にできるだけ近づけて、BJTを常にオフにする必要があります。そのため、パワーMOSFETではほとんどの場合、ソースとボディを短絡します。しかし、ソース領域とバルク領域を短絡させることで、ボディダイオードと呼ばれるダイオードが作成されます。このダイオードはBJTほど問題はなく、アプリケーションによっては役に立つこともあります。

図9: パワーMOSFET寄生成分

図10: 寄生コンデンサ

パワーMOSFET

電力アプリケーション用のMOSFETを設計する際の目的の1つは、MOSFETが高電圧で動作できるようにすることです。つまり、MOSFETは、必要なときに破壊することなく高電位を遮断できるということです。これは、ドレインのN-SiとバルクのP-Siとの間で発生するダイオード効果によって実現されます。バイアスされると、ドレイン - バルクPN接合は逆バイアスされたダイオードのように動作し、空間電荷領域 (SCR) を生成して電圧を遮断します。電圧バイアスが大きいほど、電圧を遮断するのに必要な空間電荷領域が大きくなります。電圧が十分に高い場合、SCRはドレインとソースの間の空間を横切り、MOSFETを通る導通が可能になります。これを逆ブレークダウンといいます。したがって、高電圧で動作するための鍵は、非常に長いMOSFETチャネルを使用することだと思われます。しかし、トランジスタを長くすることが不可能な理由は2つあります。

  • 効率: チャネルが長いほどRDS(ON)が高くなり、導通損失も大きくなる。
  • サイズ: チャネルが長いほどスペースを占有し、MOSFETの集積能力が低下する。

このため、パワーMOSFETは、慣れ親しんだ従来のMOSFET構造では構築されていません (図5参照)。その代わり、パワーMOSFETは、ソースとゲートをトッププレートに、ドレインを底面に配置した垂直構造で構築されています (図11参照)。

トランジスタの深さは問題となる製造パラメータではないので、デプレッション領域は必要なだけ長くすることができ、伝導損失の増加の問題のみで済みます。MOSFETドレインを金属製バックプレート全体に接続することで、これらのMOSFETを並列に接続して電流容量を増やすこともはるかに容易になります。

図11: 垂直MOSFET構造

前述したように、MOSFETトランジスタの主なエネルギー損失は、スイッチングまたは伝導のいずれかから生じます。スイッチング損失は、高速スイッチングトランジスタを使用し、ソフトスイッチングを適用することで最小限に抑えることができますが、伝導エミッションの低減は、MOSFETの構造、特にオン抵抗、またはRDS(ON)にほぼ完全に依存します。

オン抵抗の値は、チャネルの長さと半導体のキャリア濃度によって異なります。もちろん、電圧が高いほど電界が強くなるため、枯渇領域が大きくなります (図12参照)。空乏領域はチャネル全体を横切ってはならないので、深さを非常に長くする必要があります。しかし、半導体の長さを長くするとオン抵抗に大きな悪影響を及ぼすため、パンチスルー型半導体が開発されました。

このタイプの半導体デバイスでは、ドレイン内のN領域は、ドーピング密度が非常に高いN+領域と低密度領域の2つの部分に分けられます。この低密度領域をドリフト層といいます。これら2つの領域間のドーピング勾配により、逆バイアスによって生成される電界は三角形ではなくなります。代わりに、ドリフト領域の限界を「突き抜け」て長方形の形状にすることができます (図13参照)。これにより、チャネル長を長くすることなく、最大ブロッキング電圧を高くすることができます。

しかし、ドリフト層のドーピング濃度が低いと、その領域における半導体の導電率に悪影響を及ぼし、オン抵抗への影響が制限されます。

図12: 非パンチスルー型

図13: パンチスルー型

MOSFET安全動作領域 (SOA)

すべてのデバイスと同様に、MOSFETには動作可能な動作条件に制限があります。これらの制限条件は、ほとんどの場合、破壊する前に使用できる最大電圧と電流の組み合わせに関係しています。これらの制限をよりよく示すために、ほとんどのMOSFETデータシートには安全動作領域 (SOA) グラフが付属しています (図14参照)。

図14: MOSFET SOA

安全動作領域の上限は、デバイスを流れることができる最大電流によって設定されます。これはデバイスのRDS(ON)によって制限されます。これは、MOSFETチャネル (および抵抗) を流れる電流が発熱し、デバイスが故障する原因となるためです。

SOAの垂直方向の右側の制限は、MOSFETが破壊せず伝導を可能にする条件で遮断できる最大電圧によって設定されます。これは、前述したように、MOSFETの構造、チャネル長、およびMOSFETの製造に使用される材料によって決まります。

SOAの右上隅にある斜線の制限は、飽和領域での動作を維持するMOSFETの容量を表しています。主に飽和状態にあるスイッチの電流と電圧の組み合わせにより、MOSFETは電力を消費していると言われており、それは熱の形で放散する必要があります。MOSFETの電流と電圧の積が高すぎると、過度の熱によってデバイスが破壊される可能性があります。

電力消費の制限は、SOAの右上隅に複数の線で表されます。これらの線は、トランジスタが飽和状態にある時間のパーセンテージに対する関数として、MOSFETの損失制限がどのように変化するかを示しています。

MOSFETがDCにある場合、MOSFETの両端には一定の電流と電圧があり、デバイスが一定に加熱されるため、生成されたすべてのエネルギーを消費する能力が大幅に制限されます。しかし、MOSFETがオン / オフされている場合、デバイスはごくわずかな時間だけ加熱され、より高い電流と電圧に耐えることができます。オンの時間が短いほど、電圧と電流は大きくなりますが、最大電流と最大電圧によってのみ制限されます。

結論

MOSFETは、ほぼすべての電子システムに欠かせない部品です。そのため、電流の物理的制約を克服し、トランジスタをどんどん小さくすることを目指して、MOSFET構造の革新、新しい材料の発見、回路の設計が絶えず推進されています。MPSは、MPM3695-100のように、最大100Aの連続電流に耐えるパワースイッチを備えた電力変換モジュールを開発し、この分野で大きな一歩を踏み出しています。詳細については、MPSのウェブサイトにアクセスして、寄稿文リファレンスデザインアプリケーションノートをご覧ください。

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