- MOSFETの構造を理解したい
- MOSFETの動作原理を知りたい
- NチャネルだけでなくPチャネルの構造と動作原理も理解したい
こんな質問にお答えします。
この記事を書いている私は、電子回路設計者として約10年になります。
新人の頃、バイポーラトランジスタの構造はわかるけど、
MOSFETの構造や原理がよくわからないという時期がありました。
今ではわかるようになりましたので、
経験に基づいて解説したいと思います。
本記事を読み終えると、MOSFETの構造や動作原理がわかるようになりますよ。
3分で読めますので、ぜひ最後までご覧ください。
MOSFETの構造と動作原理
MOSFETの構造を大別すると4つに分類できます。
-
- NチャネルMOSFET エンハンスメント型
- NチャネルMOSFET デプレッション型
- PチャネルMOSFET エンハンスメント型
- PチャネルMOSFET デプレッション型
分け方として、
まずはMOSFETを通過する電流の電荷がマイナスとプラスで分けることができます。
マイナスの電荷 → NチャネルMOSFET
プラスの電荷 → PチャネルMOSFET
次に、
ゲート端子への入力信号が0のとき、MOSFETの導通状態がOFFとONで分けることができます。
MOSFETの導通状態 OFF → エンハンスメント型
MOSFETの導通状態 ON → デプレッション型
具体的に１つずつ解説していきます。
NチャネルMOSFETの構造
NチャネルMOSFETのエンハンスメント型とデプレッション型
【NチャネルMOSFET エンハンスメント型】
【NチャネルMOSFET デプレッション型】
NチャネルMOSFETの構造図は上記の通り。
先程、ゲート端子への入力信号が0のとき、MOSFETの導通状態がOFFとONで、エンハンスメント型とデプレッション型に分けられると言いました。
上図を見ながら言い換えると、ゲート端子への入力信号が0のとき、チャネルが形成されているかどうかです。
エンハンスメント型のときは、チャネルが形成されていませんが、
デプレッション型のときは、チャネルが形成されています。
チャネルとは何かというと、電流の経路のことです。
このチャネルを通って、ドレインからソースに電流が流れます。
つまり、
チャネルが形成されていないと、ドレイン-ソース間が導通せず、
チャネルが形成されていると、ドレイン-ソース間が導通する、
ということです。
MOSFETの端子数は4端子？
構造図からわかる通り、MOSFETには、ゲート(G)、ドレイン(D)、ソース(S)、ボディ(B)の4つの端子があります。
MOSFETって、ゲート(G)、ドレイン(D)、ソース(S)の3端子では？
ボディ(B)端子って何？
と考えた方も多いと思います。
確かに回路図やデータシートでみるMOSFETの記号は3端子です。
実はMOSFETの部品内部で、ボディはソースと接続されているのです。
なので、電子部品として使うときは3端子として扱われます。
ちなみに、ボディ(B)は、バックゲート、バルクとも言います。
NチャネルMOSFETの動作原理
エンハンスメント型の動作原理
N型半導体には、マイナスの電荷が多く存在し、プラスの電荷が少し存在しています。
逆にP型半導体には、プラスの電荷が多く存在し、マイナスの電荷が少し存在しています。
ゲート-ソース間に電圧Vgsを印加すると、
ゲート端子はプラス
ボディ端子はマイナス
になります。
（ソース端子とボディ端子は、部品内部で接続されている）
よって、P型半導体の
プラスの電荷がボディ端子側に移動し、
マイナスの電荷がゲート端子側に移動します。
言い換えると、P型半導体の
プラスの電荷がゲート端子から遠ざかり、
マイナスの電荷がゲート端子に集まってきます。
つまり、
プラスの電荷がゲート端子から遠ざかり、プラスの電荷が存在しない状態になったところに、
マイナスの電荷が集まってきて、マイナスの電荷が存在するようになります。
これが、チャネルの形成です。
これで、ドレイン-ソース間が導通するようになります。
なお、Vgsの印加電圧を大きくしていくと、チャネルの厚みが大きくなり、多くの電流を流すことができます。
デプレッション型の動作原理
エンハンスメント型との違いは、Vgs=0のとき、あらかじめ薄くn型の層が形成されていることです。
これにより、Vgs=0のときでも、ドレイン-ソース間に電流を流すことができます。
エンハンスメント型の時と同様、Vgsの印加電圧を大きくしていくと、チャネルの厚みが大きくなり、多くの電流を流すことができます。
ちなみに、Vgsを負の電圧にすると、
ゲート端子はマイナス
ボディ端子はプラス
になるので、チャネルが薄くなり、ドレイン-ソース間に電流は流れにくくなります。
PチャネルMOSFETの構造
PチャネルMOSFETのエンハンスメント型とデプレッション型
【PチャネルMOSFET エンハンスメント型】
【PチャネルMOSFET デプレッション型】
PチャネルMOSFETの構造図は上記の通り。
NチャネルMOSFETの構造と比べて、N型半導体とP型半導体を入れ替えただけです。
PチャネルMOSFETも、ゲート端子への入力信号が0のとき、チャネルが形成されているかどうかで、
エンハンスメント型とデプレッション型に分けることができます。
エンハンスメント型のときは、チャネルが形成されていませんが、
デプレッション型のときは、チャネルが形成されています。
NチャネルMOSFETのときと同じですね。
PチャネルMOSFETの動作原理
エンハンスメント型の動作原理
NチャネルMOSFETの動作原理でもいいましたが、
N型半導体には、マイナスの電荷が多く存在し、プラスの電荷が少し存在しています。
逆にP型半導体には、プラスの電荷が多く存在し、マイナスの電荷が少し存在しています。
ゲート-ソース間に電圧－Vgsを印加すると、
ゲート端子はマイナス
ボディ端子はプラス
になります。
（ソース端子とボディ端子は、部品内部で接続されている）
マイナスの電荷がゲート端子から遠ざかり、マイナスの電荷が存在しない状態になったところに、
プラスの電荷が集まってきて、プラスの電荷が存在するようになります。
チャネルの形成されて、ドレイン-ソース間が導通するようになります。
なお、－Vgsの印加電圧を大きくしていくと、チャネルの厚みが大きくなり、多くの電流を流すことができます。
NチャネルMOSFETの動作原理と比べて、プラスとマイナスが逆になっているだけですね。
デプレッション型の動作原理
エンハンスメント型との違いは、Vgs=0のとき、あらかじめ薄くp型の層が形成されていることです。
これにより、Vgs=0のときでも、ドレイン-ソース間に電流を流すことができます。
エンハンスメント型の時と同様、－Vgsの印加電圧を大きくしていくと、チャネルの厚みが大きくなり、多くの電流を流すことができます。
デプレッション型も、NチャネルMOSFETのときと同じですね。
まとめ
今回はMOSFETの構造と動作原理について解説しました。
MOSFETは日々、改良されており、性能も良くなっています。
今回紹介したMOSFETは最も一般的なもので、半導体でよく使われる Si（シリコン）という材料で作られています。
最近は、材料に SiC（シリコンカーバイド）を使用したりして、高性能（低オン抵抗、高耐圧）のMOSFETを実現しています。
また、パワーMOSFETも「 DMOS（Double-Diffused MOSFET）」や「SJ（スーパージャンクション）」と呼ばれる構造で、高性能（低オン抵抗、低損失）のMOSFETを実現しています。
とはいえ、MOSFETを扱う上で、SiC とか、DMOS構造とか、SJ構造とかを理解する必要はなく、構造と動作原理については、今回の解説で十分です。
今回の解説で「MOSFETって、こんな風に動いているんだぁ」とわかれば、細かな違いは、データシートに記載している電気特性から判断しましょう。
本記事がMOSFETの理解に少しでもお役に立てば幸いです。
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