MOSサプライヤーとして、私はしばしばMOSFETの操作の原則について尋ねられました。これを理解することは、エンジニア、愛好家、最新のデバイスの背後にあるテクノロジーに興味のある人であろうと、電子機器に関わる人にとっては重要です。このブログ投稿では、MOSFETの仕組み、その構造、およびそのアプリケーションの詳細を掘り下げます。
MOSFETの構造
MOSFET、または金属酸化物 - 陰導体フィールド効果トランジスタは、電界を使用して電流の流れを制御するトランジスタの一種です。ソース、ドレイン（d）、およびゲート（g）の3つの主要な端子で構成されています。基質もあります。これは通常、シリコンのような半導体材料です。
MOSFETの基本構造は、NチャンネルとPチャネルの2つのタイプに分けることができます。 NチャネルMOSFETでは、ソースとドレインはN型半導体材料で作られていますが、基質はp型です。逆に、PチャンネルMOSFETでは、ソースとドレインはP型であり、基質はN型です。
ゲートは、通常は二酸化シリコンの酸化物の薄い絶縁層によって基質から分離されています。この絶縁層は、MOSFETに高い入力インピーダンスを与えるものであり、入力信号から電流がほとんど描かれていません。
操作モード
MOSFETは、拡張モードと枯渇モードの2つの主要なモードで動作できます。
拡張モード
エンハンスメントモードでは、MOSFETは通常オフです。つまり、ゲートに電圧が加えられていない場合、ソースとドレインの間に電流が流れないことを意味します。正電圧（NチャネルMOSFETの場合）または負の電圧（PチャンネルMOSFETの場合）がゲートに適用されると、断熱層全体に電界が作成されます。
この電界は、電荷キャリア（NチャネルMOSFETの電子とPチャンネルMOSFETの穴）をゲートの下の領域に引き付け、ソースとドレインの間に導電性チャネルを形成します。ゲート電圧が増加すると、チャネル内の電荷キャリアの数が増加し、チャネルの導電率も増加し、ソースとドレインの間をより多くの電流が流れます。
枯渇モード
枯渇モードでは、MOSFETは通常オンになっています。つまり、ゲートに電圧が加えられていなくても、ソースとドレインの間に流れがあります。反対の極性の電圧がゲートに適用されると、ゲート電圧によって作成された電界がチャネルから電荷キャリアを反発し、チャネルの導電率を低下させ、ソースとドレイン間の電流の流れを減らします。
スイッチング操作
MOSFETの最も一般的なアプリケーションの1つは、スイッチとしてです。スイッチング回路では、MOSFETを使用して、荷重（電球やモーターなど）をオンとオフにします。
MOSFETがスイッチとして使用されると、カットオフ領域または飽和領域のいずれかで動作します。カットオフ領域では、ゲート電圧はしきい値電圧を下回り、MOSFETがオフになっているため、ソースとドレインの間に電流が流れていません。飽和領域では、ゲート電圧がしきい値電圧を上回り、MOSFETがオンになっているため、ソースとドレインの間に抵抗パスが低く、電流が負荷を流れることができます。
MOSFETをスイッチとして使用する利点は、スイッチング速度が高いことと低消費電力です。 MOSFETは非常に迅速にオンとオフを切り替えることができ、高周波アプリケーションに適しています。さらに、入力インピーダンスが高いため、制御信号からほとんど電流を引き出して電力消費を削減します。
増幅操作
MOSFETはアンプとしても使用できます。アンプ回路では、MOSFETを使用して、小さな出力信号に小さな入力信号を増幅します。
MOSFETのゲートに小さな入力信号が適用されると、ゲート電圧に小さな変化が生じます。ゲート電圧のこの変化は、チャネルの導電率に対応する変化を引き起こし、その結果、ソースとドレインの間の流れの変化を引き起こします。ドレインから取得される出力信号は、入力信号の増幅バージョンです。
MOSFETアンプのゲインは、MOSFETの伝導によって決定されます。これは、ゲート電圧の特定の変化に対してドレン電流がどれだけ変化するかの尺度です。
アプリケーション
MOSFETは、電源、モーター制御、オーディオアンプ、デジタルサーキットなど、さまざまなアプリケーションで使用されています。
電源では、MOSFETは負荷への電力の流れを制御するためのスイッチとして使用されます。高電圧と電流を処理することができ、高電力アプリケーションに適しています。
モーター制御では、MOSFETはモーターの速度と方向を制御するために使用されます。さまざまな時期にMOSFETをオンとオフに切り替えることにより、モーターを流れる電流を制御し、モーターを異なる速度で異なる方向に走らせることができます。
オーディオアンプでは、MOSFETを使用してオーディオ信号を増幅します。歪みが少ない高品質の増幅を提供することができ、高忠実度のオーディオシステムに適しています。
デジタルサーキットでは、MOSFETがデジタル操作を実行するためのロジックゲートとして使用されます。それらを使用して、マイクロプロセッサやメモリチップなどの複雑なデジタルサーキットを構築できます。
結論
結論として、MOSFETの動作の原理は、ゲート電圧によって作成された電界によるソースとドレインの間のチャネルの導電率の制御に基づいています。 MOSFETは、拡張モードまたは枯渇モードのいずれかで動作し、さまざまなアプリケーションでスイッチまたはアンプとして使用できます。
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参照
- Streetman、BG、＆Banerjee、SK（2006）。ソリッドステート電子デバイス。プレンティスホール。
- Sedra、As、＆Smith、KC（2010）。微小電子回路。オックスフォード大学出版局。
