MOSFETとは？――ゲート電圧で電流を制御する仕組み
MOSFETのSource、Drain、Gate、酸化膜、チャネルの役割と、スイッチ動作、種類、用途を説明する。
この記事の結論
- MOSFETはGate電圧によってSourceとDrainの間の電流を制御する
- Gateは絶縁膜で隔てられ、定常的な入力電流を小さくできる
- 微細なCMOS用と、大電力を扱うPower MOSFETでは構造と重視点が異なる
まず結論
MOSFETは、Gateへ加える電圧によって、SourceとDrainの間に電流が流れる道であるチャネルを作ったり消したりするトランジスタです。
正式名称はMetal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistorです。現在はGate電極が必ず金属とは限りませんが、MOSという名称が使われています。
四つの領域と端子
MOSFETにはGate、Source、Drain、Bodyがあります。回路記号ではBodyをSourceへ接続し、三端子として扱うことも多くあります。
- Gate：電界を作ってチャネルを制御する
- Source：キャリアが流れ込む側
- Drain：キャリアが流れ出る側
- Body：素子が作られる半導体領域
Gateと半導体の間には薄い絶縁膜があります。そのため、理想的にはGateへ直流電流を流し続けなくても電界を作れます。
nMOSの動作
代表的なnチャネルMOSFETでは、Gate電圧が低いとSourceとDrainの間に十分な電子の通り道がなく、電流はほとんど流れません。
Gateへ正の電圧を加えると、絶縁膜越しの電界によって表面へ電子が集まります。しきい値を超えるとn型のチャネルが形成され、DrainとSourceの間に電流が流れます。
しきい値電圧は完全なオン・オフの境界ではありません。しきい値付近にもサブスレッショルド電流があり、オン抵抗もGate電圧や温度で変わります。
CMOSとは
nMOSとpMOSを相補的に組み合わせた回路がCMOSです。論理状態を保持しているときの定常電流を小さくしやすく、デジタルICで広く使われます。
ただし切り替え時には配線やGate容量を充放電する電流が流れます。周波数、電圧、容量が大きいほど動的消費電力が増えます。
ロジック用とパワー用
| 用途 | 主な目的 | 重視する特性 |
|---|---|---|
| ロジックMOSFET | 高速な論理演算 | 微細化、速度、低電圧、漏れ電流 |
| Power MOSFET | 電力のオン・オフ | 耐圧、オン抵抗、損失、放熱、堅牢性 |
ロジック用では平面型からFinFET、GAAなどへ構造が発展しています。Power MOSFETでは電流を縦方向へ流す構造や、耐圧を確保するドリフト層を使います。
スイッチング損失
MOSFETはオン時の導通損失だけでなく、切り替え途中にも損失が生じます。Gateは絶縁されていますが容量を持つため、駆動回路はGate電荷を短時間で出し入れする必要があります。
高耐圧化、低オン抵抗、高速化は互いに影響するため、用途に合わせた設計が必要です。