MOSFETとは？

基本構造は4端子（ゲートG、ドレインD、ソースS、ボディB）で構成され、通常ボディはソースに接続されます。ゲート・ソース間電圧（V_GS）によってドレイン-ソース間の導通状態を制御する電圧駆動型デバイスであり、ゲート電流がほとんど流れないため低損失を実現します。 MOSFETは、キャリアの種類によりN型（電子）とP型（正孔）に分類され、動作モードではノーマリーオフのエンハンスメント型とノーマリーオンのデプレッション型があります。バイポーラートランジスターが電子と正孔の両方を用いるのに対し、MOSFETは一種類のみを用いるユニポーラデバイスであり、高速スイッチング性能に優れています。 本記事では、ICやLSIに内蔵されるMOSFETではなく、主にディスクリートMOSFET（単体でパッケージングされた素子）の構造、動作原理、種類、特徴、用途について詳しく解説します。さらに、パッケージ情報や設計に役立つ参考資料も紹介します。

MOSFETは図-1に示すように、トランジスターの一種で電界効果トランジスター（FET）に含まれます。MOSFETは動作の仕方で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:  ゲート・ソース間電圧V_GSを0VとしたときにMOSFETはオフ状態となります。バイアスを印加しない状態でオフとなるためノーマリーオフデバイスとも呼ばれます。
  
• デプレッション型:  V_GSを0VとしたときにMOSFETはオン状態となります。バイアスを印加しない状態でオンとなるためノーマリーオンデバイスとも呼ばれます。

電子機器などのシステムでは、故障時に制御信号（ゲート電圧）は　“L”　となる可能性があります。MOSFETが使用される主な用途であるスイッチングや電源スイッチ（ロードスイッチ）などでは、この故障時にMOSFETがオン状態（導通状態）になってしまうと安全上の問題が発生することがあります。このようなことからエンハンスメント型が主に使用されます。実際、販売されているMOSFETのほとんどがエンハンスメント型となっています。

更に、これらエンハンスメント型とデプレッション型はそれぞれP型とN型に分けられます。

• P型:  MOSFETがオンしたときにゲート直下のN層が反転してP型半導体と同様の性質を持つチャネル（反転層）ができる。オンとなる電圧の条件は、　V_G＜V_S ,| V_GS |>V_th　。多数キャリアは正孔です。
• N型:  MOSFETがオンしたときにゲート直下のP層が反転してN型半導体と同様の性質を持つチャネル（反転層）ができる。オンとなる電圧の条件は、　V_G＞V_S ,| V_GS |>V_th　。多数キャリアは電子です。

物性的な側面から見ると、電子は正孔（ホール）よりも移動度が高くなります。移動度は電場（電界）下でキャリア（電子や正孔）がどれだけ早く移動できるかを表す指標です。つまり、移動度が高いとドリフト電流が増加します。MOSFETに与える影響としては、①オン抵抗（チャネル抵抗）が低下、②高速スイッチング、③ドレイン電流の増加　などがあります。したがって、プロセスが同等で製品に内蔵されるチップ面積が同じであれば、N型（N-ch）MOSFETの方が特性は良くなります。

MOSFETには以下に示す3つの動作領域があります。これら領域はMOSFETの静特性として知られている　図-4　I_D-V_DSカーブ上に示されるそれぞれの範囲を指しています。
①　遮断領域（カットオフ領域）               :ドレイン・ソース間電圧V_DSを上げてもドレイン電流I_Dは流れません。
②　線形領域（リニア領域）              　     :V_DSに比例してI_Dが流れます。
③　飽和領域（サチレーション領域）      :I_DはV_DSには比例しません。ゲート・ソース間電圧に依存するほぼ一定のI_Dが流れます。
図-5に示す回路でドレイン・ソース間にV_DSを印加し、ゲート・ソース間の電圧を徐々に上げていくとMOSFETはオンします。
このオンするときの電圧をゲートしきい値電圧（スレッシュホールド電圧）V_thと呼びます。
印加するV_DSの電圧によって、リニア領域と飽和領域に分けられます。
V_DS < V_GS-V_th: リニア領域でオンします
V_DS > V_GS-V_th: 飽和領域でオンします

MOSFETは高速スイッチングとゲート電流がほとんど流れない特徴から、バイポーラ－トランジスターに代わって、主にパワーエレクトロニクス関連のスイッチング用途に使用されています。
MOSFETの特徴として挙げた高速スイッチングは、スイッチング電源などを小型化にするための高周波数化が可能となります。またバイポーラ－トランジスターやIGBTなどのバイポーラ－デバイスで問題となるテール電流がありません。また、オン状態を維持するためのゲート電流が必要ありません。このようなことから小型・低損失を求められるアプリケーションを中心に採用されています。

図-6に用途例を示します。
また、MOSFETを利用したパワーサプライ・パワーマネージメント・モーター制御などアプリケーションを下記リファレンスデザインセンターに多数掲載しております。こちらも参考にしてください。
リファレンスデザインセンター

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