MOSFET（金属酸化膜・半導体電界効果トランジスタ）

基本概念

MOSFET — 電界によって電流を制御する半導体素子で、現代のデジタル回路やパワーエレクトロニクスの基本構成要素です。

       G (ゲート)
       │
       │ ← SiO2 絶縁層
       │
┌──────┴───────┐
│    P型基板    │
│   ┌──┐  ┌──┐ │
│   │N │  │N │  ← 2つのN領域: ソース(Source) と ドレイン(Drain)
│   └──┘  └──┘ │
│      ↓        │
│    チャネル(Channel)
└───────────────┘
       │
       S (ソース)

種類

動作原理（Nチャネル・エンハンスメント型）

遮断状態 (Vgs < Vth)

       G
       │
       │ ═══ (電界なし、チャネル形成なし)
       │
┌──────┴──────┐
│    P型基板   │
│   ┌──  ──┐  │
│   │     │  │  ← 導電チャネルなし
│   └──  ──┘  │
└─────────────┘

導通状態 (Vgs > Vth)

       G ─── +++ (電界が電子を引き寄せる)
       │
       │ ═══════════════
       │ SiO2 絶縁層
       │ ═══════════════
┌──────┴──────┐
│    P型基板   │
│   ┌──┐  ┌──┐│
│   │N │══│N ││ ← 電子が集積してN型チャネルを形成
│   └──┘  └──┘│
└─────────────┘

電流の形成 (Vds > 0)

• チャネルがソースとドレインを接続
• 電子がソースからドレインへ移動
• Id ∝ (Vgs - Vth) （飽和領域）

4つの動作領域

Id
│        ┌─ 飽和領域 (電流一定)
│       /
│      /
│     / ← リニア領域 (可変抵抗領域)
│    /
│   /
│  /
│ /
└────────────────────── Vds
   │
   Vgs > Vth

1. 遮断領域 (Cutoff)

Vgs < Vth
Id = 0 (実際には極めて微小なリーク電流が存在)

2. リニア領域 (Linear / Ohmic)

Vgs > Vth, Vds < Vgs - Vth

Id = μn × Cox × (W/L) × [(Vgs - Vth) × Vds - Vds²/2]

特性: 可変抵抗器のようになる

3. 飽和領域 (Saturation)

Vgs > Vth, Vds > Vgs - Vth

Id = ½ × μn × Cox × (W/L) × (Vgs - Vth)²

特性: 電流が一定となり、素子は増幅作用を果たす

4. 降伏領域 (Breakdown)

Vdsが大きすぎると → 降伏 → Idが急増

主要パラメータ

寄生素子

       G
       │ Cgd
       ├──────┐
       │      │
    Cgs    ┌──┴──┐
   ┌─┴─┐    │     │
   │   │    │ Id  │
   └───┘    └──┬──┘
    │          │
   Body      Drain
    └──────────┘
         Rds(on)

寄生ダイオード

• BodyとSourceの間に寄生ダイオードが存在
• ボディダイオード⁠: S-D間に逆方向電流の経路を提供
• ハイサイドスイッチング時に注意が必要

選定ポイント

1. Vds(max)

• 動作電圧の2倍以上を選択（余裕を持たせる）

2. Rds(on)

• 導通損失 P = I² × Rds(on)
• 小さいほど良いが、Qgが高くなる傾向がある

3. Vth

• ロジックレベルの整合: 3.3V/5Vシステムでは低Vthを選択

4. Qg（ゲート電荷）

• スイッチング速度に影響
• ドライブ損失に影響

5. 放熱

• P = I²R または P = Vds × Id
• ヒートシンクが必要な場合は熱抵抗を確認

ドライブ回路

基本ドライブ

  ┌─────┐
  │ GPIO│──┐
  └─────┘  │
           │ Rg (ゲート抵抗)
           │      ┌──┐
           └──────┤G │
                  └──┘
                 ┌─────────┐
                 │  MOSFET │
                 └─────────┘

なぜゲート抵抗が必要なのか？

• 充放電電流を制限
• 振動を除去
• スイッチング速度を制御（EMI対策）

BJTとの比較

キーワード: MOSFET, Vgs, Vth, Rds(on), 飽和領域, リニア領域, ボディダイオード, Nチャネル, Pチャネル