MOSFETの動作原理

1. はじめに

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）は、現代の電子回路で広く使用されているフィールドエフェクトトランジスタです。これは、電界を適用することで導電チャネルを形成または遮断し、電流のスイッチングを制御します。MOSFETは高い制御効率、低消費電力、高速スイッチング速度を特長としており、デジタルシステムとアナログシステムの両方で欠かせない存在です。

2. 構造

MOSFETは通常、次の部分で構成されています：

ゲート：ダイエレクトリック層（通常は二酸化硅、SiO₂）によって半導体から絶縁された金属またはポリシリコン電極。

ソースとドレイン：P型半導体基板内に埋め込まれた、2つの高濃度N型領域です。

ボディ（基板）：通常、P型半導体です。ほとんどの回路設計では、ボディをソースにショートすることで固定電位を維持し、ボディ効果の干渉を減らします。

3. 動作原理

MOSFETは、ゲート電圧によってソースとドレインの間に伝導チャネルが形成されるかどうかを制御して動作します。

3.1 オフ状態

ゲート電圧が0 Vまたはしきい値電圧 (Vth) より低い場合：

P型基板の表面に導電チャネルは形成されません。

ソースとドレインの間には高インピーダンスが存在し、ほぼ電流は流れません。

MOSFETは「オフ」状態であり、オープンスイッチのように機能します。

3.2 オン状態

ゲート電圧 (VGS) がしきい値電圧を超えたとき（VGS > Vth）：

ゲート絶縁層の下に垂直の電場が形成されます。

この電場はP型基板から電子を半導体表面に引き寄せ、正孔を排斥し、N型反転層を作ります。

この伝導チャネルはソースとドレインを接続し、電流がドレインからソースへ流れます（伝統的な電流方向に基づく）。

4. 主な特徴

MOSFETは次の電気的特性を示します：

電圧制御デバイス：電流はゲート電圧によって制御され、絶縁ゲート酸化膜のためほぼゲート電流が流れず、超低消費電力を実現します。

高速スイッチング速度：高周波回路、RFやデジタルスイッチングに理想的です。

低消費電力：電力はスイッチング遷移時にのみ消費されるため、MOSFETは携帯機器や省エネルギーシステムに適しています。

用途

MOSFETは次の分野で一般的に使用されています：

デジタル回路: 論理ゲート、フリップフロップ、およびCPU内のトランジスタとしてスイッチの役割を果たします。

アナログ回路: 電圧増幅器、ソースフォロワー、および電流レギュレーターとして機能します。

電源管理: DC-DCコンバータ、電源スイッチ、およびモーター制御回路に使用されます。

6. 概要

MOSFETの主要な機能は、電場を使用して電流の流れを制御することです。ゲートに電圧を適用することで、半導体の表面に一時的な導電チャネルが誘発され、これにより電流の伝導が有効または無効になります。この仕組みにより、MOSFETは優れた応答性、低消費電力、および現代の電子機器や電力機器での広範な適用性を持っています。