MOSFETの仕組み

MOSFET の動作原理は、主にその独特の構造特性と電界効果に基づいています。以下は、MOSFET がどのように動作するかの詳細な説明です。

I. MOSFETの基本構造

MOSFET は主に、ゲート (G)、ソース (S)、ドレイン (D)、および基板 (B、ソースに接続されて 3 端子デバイスを形成する場合もあります) で構成されます。 N チャネルエンハンスメント MOSFET では、基板は通常、低ドープの P 型シリコン材料であり、その上に 2 つの高ドープ N 型領域がそれぞれソースとドレインとして機能するように製造されます。 P型基板の表面は絶縁層として非常に薄い酸化膜（二酸化シリコン）で覆われており、ゲートとして電極が引き出されています。この構造はゲートがP型半導体基板、ドレイン、ソースから絶縁されているため、絶縁ゲート型電界効果管とも呼ばれます。

II.動作原理

MOSFET は、ゲート ソース電圧 (VGS) を使用してドレイン電流 (ID) を制御することによって動作します。具体的には、印加された正のゲート・ソース電圧 VGS がゼロより大きい場合、上部の正の電場と下部の負の電場がゲートの下の酸化物層に現れます。この電場は P 領域の自由電子を引き寄せ、それらを酸化層の下に蓄積させますが、P 領域の正孔は反発します。 VGS が増加すると、電界の強度が増加し、引き付けられる自由電子の濃度が増加します。 VGS が特定のしきい値電圧 (VT) に達すると、その領域に集まった自由電子の濃度が十分に高くなり、新しい N 型領域 (N チャネル) が形成されます。この領域は、ドレインとソースを接続するブリッジのように機能します。このとき、ドレイン・ソース間に一定の駆動電圧（VDS）が存在すると、ドレイン電流IDが流れ始めます。

Ⅲ．伝導チャネルの形成と変化

導電チャネルの形成は、MOSFET の動作の鍵です。 VGS が VT より大きい場合、導電チャネルが確立され、ドレイン電流 ID は VGS と VDS の両方の影響を受けます。VGS は導電チャネルの幅と形状を制御することによって ID に影響を与えますが、VDS は駆動電圧として ID に直接影響します。導電チャネルが確立されていない場合 (つまり、VGS が VT 未満の場合)、たとえ VDS が存在していてもドレイン電流 ID は現れないことに注意することが重要です。

IV. MOSFETの特徴

高入力インピーダンス:MOSFET の入力インピーダンスは非常に高く、無限大に近くなります。これは、ゲートとソース・ドレイン領域の間に絶縁層があり、ゲート電流が微弱であるためです。

低出力インピーダンス:MOSFET は電圧制御デバイスであり、ソース-ドレイン電流が入力電圧に応じて変化するため、出力インピーダンスは小さくなります。

一定流量:飽和領域で動作している場合、MOSFET の電流はソース-ドレイン電圧の変化による影響をほとんど受けず、優れた定電流が得られます。

優れた温度安定性:MOSFET の動作温度範囲は、-55 °C から約 +150 °C までです。

V. 用途と分類

MOSFETはデジタル回路、アナログ回路、電源回路などの分野で広く使用されています。動作のタイプに応じて、MOSFET はエンハンスメント型とデプレッション型に分類できます。伝導チャネルの種類に応じて、NチャネルとPチャネルに分類できます。これらのさまざまなタイプの MOSFET には、さまざまなアプリケーション シナリオで独自の利点があります。

要約すると、MOSFET の動作原理は、ゲート ソース電圧を通じて導電チャネルの形成と変化を制御し、それによってドレイン電流の流れが制御されることです。 MOSFET は、高入力インピーダンス、低出力インピーダンス、定電流、温度安定性により、電子回路の重要なコンポーネントとなっています。