MOSFETの動作原理図を詳しく解説 | FETの内部構造の解析

MOSFET は、半導体業界で最も基本的なコンポーネントの 1 つです。電子回路では、MOSFETは電力増幅回路やスイッチング電源回路に一般的に使用され、広く普及しています。下に、オルキーMOSFETの動作原理を詳しく説明し、MOSFETの内部構造を分析します。

とは何ですかMOSFET

MOSFET、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET)。アナログ回路からデジタル回路まで幅広く使用できる電界効果トランジスタです。その「チャネル」（ワーキングキャリア）の極性の違いにより「N型」と「P型」の2種類に分けられ、NMOS、PMOSと呼ばれることが多いです。

MOSFETの動作原理

MOSFETは動作モードによりエンハンスメント型とデプレッション型に分けられます。エンハンスメント型とは、バイアス電圧が印加されておらず、電圧が印加されていないときの MOSFET を指します。誘導チャネル。デプレッション型とは、バイアス電圧が印加されていないときの MOSFET を指します。導電チャネルが表示されます。

実際のアプリケーションでは、MOSFET は N チャネルエンハンスメント型と P チャネルエンハンスメント型のみです。 NMOSFETはオン抵抗が小さく製造が容易なため、実際のアプリケーションではPMOSよりもNMOSの方が一般的です。

エンハンスメントモードMOSFET

エンハンスメントモード MOSFET のドレイン D とソース S の間には、2 つの連続した PN 接合があります。ゲート・ソース間電圧 VGS=0 の場合、ドレイン・ソース間電圧 VDS を加えても常に逆バイアス状態の PN 接合が存在し、ドレイン・ソース間に導電チャネルが存在しません (電流が流れません)。）。したがって、このときのドレイン電流ID=0となる。

このとき、ゲート・ソース間に順方向電圧が加わるとします。つまり、VGS>0の場合、ゲートがP型シリコン基板と整列した電界が、ゲート電極とシリコン基板の間のSiO2絶縁層に発生します。酸化物層は絶縁性であるため、ゲートに印加される電圧 VGS は電流を生成できません。酸化膜の両側にコンデンサが生成され、VGS等価回路はこのコンデンサ(コンデンサ)を充電します。そして、VGS がゲートの正の電圧に引き寄せられてゆっくり上昇すると、電界が発生します。多数の電子がこのコンデンサ (コンデンサ) の反対側に蓄積し、ドレインからソースへの N 型導電チャネルを作成します。 VGS が真空管のターンオン電圧 VT (一般に約 2V) を超えると、N チャンネル管がちょうど導通し始め、ドレイン電流 ID が生成されます。チャネルが最初にターンオン電圧を生成し始めるときのゲート・ソース間電圧をゲート・ソース電圧と呼びます。一般的にはVTと表現されます。

ゲート電圧ＶＧＳの大きさを制御することにより、電界の強弱が変化し、ドレイン電流ＩＤの大きさを制御する効果が得られる。これは、電界を使用して電流を制御する MOSFET の重要な特徴でもあるため、電界効果トランジスタとも呼ばれます。

MOSFETの内部構造

不純物濃度の低いP型シリコン基板上に、不純物濃度の高いN+領域を2つ作り、金属アルミニウムから2本の電極を引き出し、それぞれドレインdとソースsとして機能させます。次に、半導体表面を極めて薄い二酸化シリコン（SiO2）絶縁層で覆い、ドレイン・ソース間の絶縁層上にゲートgとなるアルミニウム電極を設置します。電極Ｂも基板上に引き出されており、ＮチャネルエンハンスメントモードＭＯＳＦＥＴが形成されている。 Pチャネルエンハンスメント型MOSFETの内部構成も同様です。

NチャネルMOSFETとPチャネルMOSFETの回路記号

上の図はMOSFETの回路記号を示しています。写真では、D はドレイン、S はソース、G はゲート、中央の矢印は基板を表します。矢印が内側を向いている場合は N チャネル MOSFET を示し、矢印が外側を向いている場合は P チャネル MOSFET を示します。

デュアル N チャネル MOSFET、デュアル P チャネル MOSFET、および N+P チャネル MOSFET の回路シンボル

実際、MOSFET の製造プロセス中、基板は工場から出荷される前にソースに接続されます。したがって、シンボル規則では、ドレインとソースを区別するために、基板を表す矢印シンボルもソースに接続する必要があります。 MOSFET で使用される電圧の極性は、従来のトランジスタと同様です。 N チャネルは NPN トランジスタに似ています。ドレインＤは正極に接続され、ソースＳは負極に接続される。ゲート G が正の電圧を持つと、導電チャネルが形成され、N チャネル MOSFET が動作し始めます。同様に、P チャネルは PNP トランジスタに似ています。ドレイン D は負極に接続され、ソース S は正極に接続され、ゲート G が負の電圧になると導電チャネルが形成され、P チャネル MOSFET が動作し始めます。

MOSFETのスイッチング損失原理

NMOSでもPMOSでも、ターンオン後には導通内部抵抗が発生するため、電流はこの内部抵抗にエネルギーを消費します。消費されるエネルギーのこの部分は、伝導消費と呼ばれます。導通内部抵抗が小さい MOSFET を選択すると、導通消費を効果的に削減できます。低電力 MOSFET の現在の内部抵抗は一般に数十ミリオーム程度ですが、数ミリオームの場合もあります。

MOS のオンと終了は瞬時に実現してはなりません。 MOS の両側の電圧は実質的に減少し、MOS を流れる電流は増加します。この期間における MOSFET の損失は、電圧と電流の積、つまりスイッチング損失です。一般に、スイッチング損失は導通損失よりもはるかに大きく、スイッチング周波数が速いほど損失も大きくなります。

導通時の電圧と電流の積は非常に大きく、非常に大きな損失が発生します。スイッチング損失は 2 つの方法で低減できます。 1 つはスイッチング時間を短縮することで、各ターンオン時の損失を効果的に削減できます。もう 1 つはスイッチング周波数を下げることで、単位時間あたりのスイッチ数を減らすことができます。

以上、MOSFETの動作原理図とMOSFETの内部構造の解析について詳しく説明しました。 MOSFET についてさらに詳しく知りたい場合は、MOSFET の技術サポートを提供する OLUKEY にご相談ください。