MOSFETトランジスタに関するガイド

トランジスタの主な種類

トランジスタには大きく分けて2つの種類があります。1つはBJT（バイポーラトランジスタ）、もう1つはFET（電界効果トランジスタ）です。MOSFET（絶縁ゲート電界効果トランジスタ）はFETの一種です。BJTは1アンペア以下の電流に使用されますが、MOSFETは、より高い電流の機器に使用されます。 MOSFETには、ディプリーションモードとエンハンスメントモードがあります。ディプリーションモードは、常閉スイッチと同じように、オン電圧をかけると電流が流れます。負電圧をかけると電流が止まります。一方、エンハンスメントモードのMOSFETは、現代のアプリケーションでよく使用されるタイプです。

MOSFETと他のトランジスタの特徴比較

MOSFETトランジスタと他のトランジスタはどのように異なるのか、特徴について比較してみましょう。

3種類のトランジスタを比較すると、同じ種類であるMOSFETトランジスタと電界効果トランジスタは、両方とも電圧駆動するタイプで似た特徴を持っているものの、スイッチング速度や大電流化、オン抵抗に違いが見られます。また、電解効果トランジスタは簡単に高耐圧化できますが、MOSFETトランジスタで実施するには構造の変更が必要です。

バイポーラトランジスタとMOSFETトランジスタを比較すると、すべての項目において、全く正反対の特徴を持っていることがおわかりいただけるはずです。上記のように、3種類のトランジスタはそれぞれ特徴が異なるので、目的や用途にあわせて選んでください。

MOSFETトランジスタとは？

MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）とは、デジタル回路やアナログ回路でよく使われる半導体で、電源デバイスとしても有用です。小型トランジスタの元祖として、さまざまな電気的用途に使われています。

21世紀の技術開発の多くは、MOSFETなくして実現できなかったと言われています。負荷電流制御に必要な電流が少ないため、BJTよりも広く使われています。MOSFETをエンハンスメントモードにすると、導電性のレベルを「ノーマリーオフ」の状態から高めることができます。また、ゲートを介して電圧を流すことで、「ノーマリーオン」状態から導電性を最小にすることができます。MOSFETの小型化のプロセスは比較的簡単で、コンパクトな機器向けに効果的に小型化できます。

さらに、MOSFETの利点として、高速スイッチング（特にデジタル信号に関連して）、最小限の消費電力、高密度化などが挙げられ、大規模な集積化に適しています。

MOSFETは集積回路の中核部品であり、その小型化により1チップでの設計・製造が可能です。その特徴は、ソース（S）、ゲート（G）、ドレイン（D）、ボディ（B）の4つの端子があることです。ボディはソース端子に接続され、MOSFETが電界効果トランジスタとして機能するようになっています。

ゲート端子からソース端子に電流が伝わることで、ドレインピンからソースピンに電流が流れます。ドレイン-ソース間の抵抗値は、電流が流れていないときには非常に高く、電流が流れているときには低くなります。しかし、マイコンを搭載したMOSFETでは、マイコンが5Vまたは3.3Vで動作している状態で、最低レベルのドレイン-ソース間抵抗を得るためには、10〜15のゲート-ソース間の電位差が必要となる場合があるので注意が必要です。 MOSFETゲートピンとソースピンには、状態が急激に切り替わらないようにするための静電容量があります。内部容量の電圧間の急速な変化のためには、高電流が必要になります。これは、充電（ソース）と放電（シンク）の間の自動切り替えを促すものでなければなりません。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が同時に切り替わることになります。電圧レベルは、抵抗のレベルに直接対応します。パワーMOSFETは、大電力を必要とする用途に特化して作られています。

MOSFETトランジスタの種類

PMOSロジック

前述のように、MOSFETはBJTに比べて高い回路効率を実現します。PチャネルMOSFETは、PMOSロジックと組み合わせることで、デジタル回路やロジックゲートを実現することができます。

NMOSロジック

NMOSロジックは、PMOSロジックと似ていますが、NチャネルMOSFETがロジックゲートや関連するデジタル回路に使用されている点が異なります。一般的に、NチャネルMOSFETはPチャネルMOSFETよりも小型化できるため、状況に応じて使い分けることが可能です。しかし、NMOSロジックは常に電力を消費するのに対し、PMOSロジックは消費しません。

CMOSロジック

CMOS（相補型MOS）ロジックは、集積回路を作るための技術です。この回路は、さまざまな電気部品に使用されており、電力を生成することが知られています。PチャネルとNチャネルのMOSFETは、いずれもゲートとドレインが接続された状態で使用され、消費電力と余分な熱の発生を抑えます。

ディプリーションモードMOSFETデバイス

MOSFETの中でも、あまり一般的ではないタイプのデバイスが「ディプリーションモードMOSFET」です。チャネル抵抗が低く、チャネルが「オン」であると考えます。無電力状態にすると、これらのスイッチはその設計に従って動作します。チャネル抵抗は直線的で、信号の振幅範囲で低歪みとなります。

MISFET

MOSFETはすべてMISFET（絶縁ゲート半導体電界効果トランジスタ）ですが、すべてのMISFETがMOSFETというわけではありません。この種のコンポーネントで特徴的なゲート絶縁膜は、MOSFETでは二酸化ケイ素ですが、他の材料を使用することもできます。ゲート絶縁膜は、ゲート電極の下、MISFETのチャネルの上に配置されます。

浮遊ゲートMOSFET（FGMOS）

浮遊ゲートMOSFETは、電気的に絶縁されたゲートが特徴です。これにより、DCでの浮遊ノードと、浮遊ゲートの上に位置する2次ゲート入力を生成する効果があります。FGMOSの用途としては、浮遊ゲート方式のメモリセルが挙げられます。

パワーMOSFET

パワーMOSFETの構造は、平面的ではなく垂直的です。これにより、トランジスタは高い阻止電圧と高電流を同時に維持できます。トランジスタの定格電圧は、N型エピタキシャル層のドーピングと厚さに直接対応し、定格電流はチャネル幅に対応します。また、部品の面積とこの種のデバイスが維持できる電流のレベルには直接的な関連性があります。パワーMOSFETは、低ゲート駆動機能、高速スイッチング、高度な並列化機能を実現しています。

DMOS

二重拡散金属酸化物半導体で、横型と縦型があります。パワーMOSFETの大半はこの技術で作られています。

MOSキャパシタ

MOSFET構造を持つキャパシタです。MOSキャパシタを挟んで2つのPN接合があります。メモリチップの記憶キャパシタや、イメージセンサーのCCD（電荷結合素子）の支持体として使用されます。

TFT

TFT（薄膜トランジスタ）は、ユニークなタイプのMOSFETです。このトランジスタは、基板上に半導体の薄膜を形成し、その上に誘電層と金属接点を組み合わせたものです。半導体の材料はさまざまですが、一般的なのはシリコンです。完全に透明にすることができるので、映像表示パネルなどに使われています。

バイポーラCMOSトランジスタ（BiCMOS）

BiCMOSは、BJTとCMOSのトランジスタを1つのチップに搭載した集積回路です。IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）は、MOSFETやBJT（バイポーラ接合トランジスタ）と同様の機能を持ちます。

MOSセンサー

物理的、化学的、生物学的、環境的変数を正確に測定するために、さまざまなMOSセンサーが開発されています。例えば、オープンゲートFET（OGFET）、イオン感応電界効果トランジスタ（ISFET）、ガスセンサーFET、チャージフロートランジスタ（CFT）、酵素FETなどがあります。デジタルイメージングに使用されるセンサーとしては、CCD（電荷結合素子）、アクティブピクセルセンサー（CMOSセンサー）などが一般的です。

マルチゲート電界効果トランジスタ

デュアルゲートMOSFETは、2つのゲートで電流のレベルを制御する4極管構造を持ちます。一般的には、ミラー効果に伴うゲインの損失の低減が求められる高周波用途の小信号デバイスに使用されます。ミラー効果とは、別々のトランジスタをカスコード接続で置き換えることで生じる効果です。

RHBD

ELT（Enclosed-Layout Transistor）を用いてRHBD（耐放射線設計）デバイスを作成することはよくあります。MOSFETのゲートは、ELTの中心に近いドレインを取り囲むように配置されています。この場合、MOSFETのソースはゲートを取り囲むように配置されます。Hゲートは、放射線の漏れを最小限に抑えることができるもう一つのタイプのMOSFETです。

MOS集積回路

MOSFETは最もポピュラーなタイプのトランジスタで、集積回路（IC）チップの電気的動作には欠かせないものです。バイポーラトランジスタと異なり、チップ上でPN接合を分離するための工程を必要としません。比較的容易に分離することが可能です。

CMOS回路

CMOS（相補型金属酸化膜半導体）とは、集積回路を開発するための技術の一種です。この技術は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、メモリチップ、その他のデジタルロジック回路などの集積回路（IC）チップの製造に使用されています。また、イメージセンサー、データコンバーター、RF回路、デジタル通信用の集積トランスミッターなどのアナログ回路の開発にも主要なコンポーネントとして使用されています。

CMOSデバイスの主な特徴は、高い耐ノイズ性と最小限の静的消費電力です。また、NMOSロジックやＴＴＬなどと比較して、余分な熱の発生が少ないのも特徴です。このような特性により、高密度のチップロジック機能を集積することができます。

アナログスイッチ

デジタル回路の集積化におけるMOSFETのメリットは、アナログ回路の集積化にをはるかに凌駕します。トランジスタの動作は、それぞれの場合で異なります。デジタル回路は、大部分の時間、完全にオンまたはオフに切り替えることができます。速度と電荷のレベルは、スイッチングプロセスに影響を与える2つの主要要因です。アナログ回路の遷移領域では、わずかなVの変化で出力（ドレイン）電流が変化してしまうため、機能性を確保する必要があります。

MOSFETは、信頼性が高く、ゲート電流がゼロであるという利点があるため、現在でもさまざまなアナログ回路に搭載されています。例えば、信頼性が高い、ゲート電流がゼロである、出力インピーダンスが高く調整可能である、などの利点があります。また、MOSFETの大きさを調整することで、アナログ回路の特性や性能を変えられる可能性もあります。MOSFETはまた、ゲート電流がゼロ、ドレイン-ソース間のオフセット電圧がゼロであることから、スイッチにも適しています。

パワーエレクトロニクス

MOSFETは、パワーエレクトロニクスの幅広い分野で使用されています。バッテリーの逆流防止、代替電源間のスイッチング、不要な負荷の電圧低下などに使用されています。小型のMOSFETの主な特長は、小さな設置面積、大電流、ESD保護機能の内蔵などです。また、MOS技術の開発は、通信ネットワークにおけるネットワーク帯域幅の統合に貢献した主な要因の一つとして広く認められています。

MOSメモリ

MOSFETの開発により、メモリセルの記憶にMOSトランジスタを便利に使えるようになりました。MOS技術は、DRAM（ダイナミック・アクセス・ランダム・メモリ）の重要な構成要素の一つです。磁気コアのメモリに比べて、性能が高く、消費電力が少なく、価格も比較的安価です。

MOSFETセンサー

MOSセンサーと呼ばれるMOSFETセンサーは、物理的、化学的、生物学的、および環境的なパラメータの測定によく使用されます。また、化学物質、光、動きなどの要素の相互作用や処理を可能にすることから、微小電気機械システムにも組み込まれています。また、センサー技術は、電荷結合素子やアクティブピクセルセンサーへの組み込みに適しており、イメージセンシングへの応用も可能です。

量子物理学

量子電界効果トランジスタ（QFET）や量子井戸電界効果トランジスタ（QWFET）は、量子トンネリングを利用してトランジスタの動作を高速化するMOSFETです。これは、電子伝導の領域をなくすことで、キャリアの速度を大幅に低下させることで実現しています。このような量子デバイスの動作には、非常に微細な層状の構成材料を用いたRTP（ラピッドサーマルプロセス）が不可欠です。

マウントタイプ別のMOSFET

MOSFETをマウントタイプ別にご紹介します。

購入すべきMOSFETは？

MOSFETは、目的に応じてNチャネル、Pチャネルを選択することが重要です。これらのMOSFETは、それぞれが電気的なスイッチとして機能します。通常の電源用途では、MOSFETをグランドに接続し、リード線をレール電圧に接続しています。これはローサイドスイッチと呼ばれ、デバイスをオン/オフするためには電圧が必要となるため、NチャネルのMOSFETを使用する必要があります。Pチャネル型は、ハイサイドスイッチがバスに接続され、負荷抵抗がグランドに接続されている場合に使用します。

MOSFETの電圧も考慮しなければなりません。十分な保護を確保し、MOSFETの故障を防ぐためには、レール電圧とバス電圧の両方を上回る必要があります。また、定格電流は、すべての場合において、負荷に対する最大容量のものでなければなりません。その他の考慮すべき要素としては、技術的な影響、熱的要件、スイッチング性能などがあります。また、ゲートのパラメータは、ドライバ回路と対応していなければなりません。要するに、適切な選択はMOSFETの用途次第ということです。

よくある質問

MOSFETのテストはどのように行うのですか？

MOSFETの性能を評価するためには、いくつかのテストがあります。まず、ダイオードの電圧降下をチェックする必要があります。これには、ダイオードモードに設定したDMMを使用する必要があります。NチャネルとPチャネルのどちらのMOSFETを使用するかによって、異なる設定が必要になります。MOSFETの理想的な測定値は0.4V〜0.9Vです。しかし、電圧が発生しなければ、MOSFETは欠陥品とみなされます。また、性能を評価するためには、抵抗値のチェックも行う必要があります。DMMプローブの極性にかかわらず、ドレイン-ソース間には高い抵抗値が必要です。

デジタルマルチメーターを使ったMOSFETのテストは以下のように行います。

MOSFETトランジスタの配線はどうするのですか？

MOSFETトランジスタの配線に必要なものは、ダイオード、トランジスタ、回路基板、電線（3色）です。

配線の手順は以下の通りです。

MOSFETの数字の読み方を教えてください。

適切な交換部品を注文するためには、問題のあるMOSFETの番号を正しく読み取る必要があります。そのためには、部品番号と識別図を参照する必要があります。

番号の読み方は以下の通りです。

なぜMOSFETは電圧制御デバイスなのですか？

理由は、ゲート-ソース間電圧によって出力（ドレイン）電流を制御できるからです。入力端子に印加された電圧は、出力が入力電圧に正比例するように、電流の流れを効果的に制御します。