MOSFET・モスフェット

MOSFET・モスフェットとは？

MOSFETは、MOSFETトランジスタとも呼ばれ、金属酸化物半導体電界効果トランジスタの略です。これらの多用途の半導体は、日本および世界中で広く使用されており、民生用電子機器から産業オートメーションまで、さまざまな業界で使用されています。MOSFETは、コンデンサによって制御されるトランジスタデバイスです。「電界効果」とは、電圧によって制御されることを意味します。MOSFETの目的は、ソースからドレイン端子に流れる電流の流れを制御することです。スイッチと非常によく似た動作をし、電子信号の切り替えや増幅に使用されます。

これらの半導体デバイスは、PCB に搭載される IC (集積回路) です。MOSFETには、DPAK、D2PAK、DFN、I2PAK、SOIC、SOT-223、TO-220 などのさまざまな標準パッケージタイプがあります。

デプレッションモードとエンハンスメントモードとは何ですか?

MOSFETトランジスタには、デプレッションモードとエンハンスメントモードの 2 つのモードがあります。デプレッション MOSFETは、閉じたスイッチのように動作します。電流が流れていないときは電流が流れます。負の電圧が印加されると、電流は止まります。エンハンスメントモード MOSFETは可変抵抗器のようなもので、一般にデプレッションモード MOSFETよりも人気があります。n チャネルまたは p チャネルのバリエーションがあります。

MOSFETはどのように機能しますか?

MOSFETパッケージのピンは、ソース、ゲート、およびドレインです。ゲート端子とソース端子の間に電圧が印加されると、電流はドレインピンからソースピンに流れます。ゲートに印加される電圧が変化すると、ドレインからソースへの抵抗も変化します。印加される電圧が低いほど、抵抗は高くなります。電圧が増加すると、ドレインからソースへの抵抗は減少します。パワー MOSFETは標準 MOSFETに似ていますが、より高いレベルの電力を処理するように設計されています。

Nチャネル MOSFETとPチャネル MOSFET

N チャネル MOSFETには、自由に動き回れる追加の電子が含まれています。より一般的なチャネルタイプです。N チャネル MOSFETは、ゲート端子に正電荷が印加されると機能します。

使用例とアプリケーションには次のものがあります：

電源：効率と低電力損失のため、電圧レギュレータや DC-DC コンバータのスイッチング素子としてよく使用されます。
モーター制御：N チャネル MOSFETの高速スイッチング機能により、産業機械から電気自動車まで、さまざまなアプリケーションのモーター制御に最適です。
ロジック回路：N チャネル MOSFETは、電子回路でスイッチやアンプとして広く使用されており、回路のさまざまな部分間で電流を流すことができます。

一方、P チャネル MOSFETの基板には、電子と電子ホールが含まれています。P チャネル MOSFETは正電圧に接続されています。これらの MOSFETは、ゲート端子に供給される電圧がソース電圧よりも低い場合にオンになります。

使用例とアプリケーションには次のものがあります：

ハイサイドスイッチ：ローサイド信号で制御できるため、負荷が正電源レールに接続されているハイサイドスイッチングアプリケーションに適しています。
相補回路：CMOS ロジックゲートなどの相補回路では、N チャネル MOSFETと組み合わせて使用されることが多く、電力効率とノイズ耐性が向上します。
バッテリー駆動デバイス：消費電流が低いため、電力節約が重要なバッテリー駆動デバイスで役立ちます。

MOSFETとBJT

MOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ) には、BJT (バイポーラ接合トランジスタ) に比べていくつかの利点があります：

入力インピーダンスが高い：MOSFETは電圧制御デバイスであるため、動作に必要な入力電流が非常に少なくて済みます。そのため、低消費電力と高効率が重要なアプリケーションに最適です。一方、BJT は電流制御デバイスであるため、導通を維持するために連続ベース電流が必要です。
スイッチング速度が速い：MOSFETは BJT よりもはるかに速くオン/オフを切り替えることができるため、スイッチング電源やモーター制御などの高周波アプリケーションに適しています。
オン抵抗が低い：MOSFETは通常、BJT よりもオン抵抗 (Rds(on)) が低いため、消費電力が少なくなり、効率が向上します。
熱暴走がない：BJT とは異なり、MOSFETは熱暴走の影響を受けにくくなっています。熱暴走とは、温度が上昇すると電流が増加し、デバイスが損傷する可能性がある現象です。

ただし、BJT には特定のアプリケーションでいくつかの利点があります：

コストが低い：BJT は一般に MOSFETよりも安価であるため、コスト重視の設計に適しています。
電流ゲインが高い：BJT は MOSFETよりも高い電流ゲインを提供できるため、大幅な電流増幅を必要とするアプリケーションに適しています。
線形動作：BJT は、オーディオアンプなどの線形アプリケーションに適しています。このアプリケーションでは、BJT 固有の電流制御によってよりスムーズな増幅特性が得られます。

MOSFETの選択基準

プロジェクトに適した MOSFETを選択するには、いくつかの重要なパラメータを慎重に検討する必要があります。

Rds(on) (オン抵抗)：これは、MOSFETが完全にオンになっているときのドレイン端子とソース端子間の抵抗を表します。Rds(on) が低いほど、消費電力が少なくなり、効率が向上します。
Vgs(th) (しきい値電圧)：これは、MOSFETをオンにするために必要な最小ゲート - ソース間電圧です。制御信号電圧と互換性のある Vgs(th) を持つ MOSFETを選択することが重要です。
最大電流/電圧定格：これらは、MOSFETが損傷することなく処理できる最大電流 (Id) と電圧 (Vds) を指定します。アプリケーションの予想される動作条件を超える定格の MOSFETを選択することが重要です。

MOSFETの産業用途

MOSFETは幅広い産業用途に使用されており、効率的な電力管理、制御、自動化を実現する上で重要な役割を果たしています。

個別製造業：自動車製造業では、MOSFETは電子制御ユニット (ECU)、モータコントローラ、さまざまなコンポーネントの電源に使用されています。家電製品製造業では、スマートフォン、ラップトップ、テレビなどのデバイスの電力管理に不可欠です。
プロセス製造業：化学業界では、MOSFETはプロセス制御システムで温度、圧力、流量を調節するために使用されます。食品および飲料業界では、包装機械、温度制御システム、状態監視システム、冷蔵ユニットに使用されています。
エネルギーおよびユーティリティ：発電および配電業では、MOSFETは高電圧 DC 伝送システム、インバータ、および電力コンバータに使用されています。太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーシステムでは、MOSFETはエネルギー収集とグリッド統合を最大化するために不可欠です。
施設およびイントラロジスティクス：ビル自動化システムでは、MOSFETは照明制御システム、HVAC システム、およびセキュリティシステムに使用されています。マテリアルハンドリングおよびロジスティクスでは、コンベア、無人搬送車 (AGV)、およびロボットシステムのモータードライブに使用されています。