絶縁ゲート電界効果トランジスタ（MOSFET）

絶縁ゲート電界効果トランジスタ （IGFET）、金属酸化物電界効果トランジスタとしても知られています （MOSFET）は、電界効果トランジスタ（FET）の派生物です。今日、ほとんどのトランジスタは、デジタル集積回路のコンポーネントとしてMOSFETタイプです。ディスクリートBJTはディスクリートMOSFETよりも数が多いですが。集積回路内のMOSFETトランジスタ数は数億に近づく可能性があります。個々のMOSFETデバイスの寸法は1ミクロン未満で、18か月ごとに減少します。はるかに大きなMOSFETは、低電圧でほぼ100アンペアの電流を切り替えることができます。より低い電流でほぼ1000Vを処理するものもあります。これらのデバイスは、シリコンの1平方センチメートルのかなりの部分を占めています。 MOSFETは、JFETよりもはるかに幅広い用途があります。ただし、現時点では、MOSFETパワーデバイスはバイポーラ接合トランジスタほど広く使用されていません。

MOSFETの動作

MOSFETには、FETのようにソース、ゲート、およびドレイン端子があります。ただし、FETの場合と比較して、ゲートリードはシリコンに直接接続されていません。 MOSFETゲートは、二酸化シリコン絶縁体の上の金属層またはポリシリコン層です。ゲートは金属酸化物半導体に似ています。 下図の（MOS）コンデンサ。充電されると、コンデンサのプレートはそれぞれのバッテリー端子の充電極性を帯びます。下のプレートはP型シリコンで、電子は負（-）のバッテリー端子から酸化物に向かってはじかれ、正（+）の上部プレートに引き付けられます。酸化物の近くのこの過剰な電子は、酸化物の下に逆（過剰な電子）チャネルを作成します。このチャネルには、バルクシリコン基板からチャネルを分離する空乏領域も伴います。

NチャネルMOSコンデンサ：（a）充電なし、（b）充電済み。

下の図（a）では、MOSコンデンサはP型基板のN型拡散のペアの間に配置されています。コンデンサに電荷がなく、ゲートにバイアスがない場合、N型拡散、ソースとドレインは電気的に絶縁されたままになります。

NチャネルMOSFET（拡張タイプ）:( a）0 Vゲートバイアス、（b）正ゲートバイアス。

ゲートに正のバイアスをかけると、コンデンサ（ゲート）が充電されます。酸化物の上のゲートは、ゲートバイアスバッテリーから正電荷を帯びます。ゲートの下のP型基板は負の電荷を帯びています。ゲート酸化物の下に過剰な電子を含む反転領域が形成されます。この領域は、ソースとドレインのNタイプ領域を接続し、ソースからドレインまで連続したN領域を形成します。したがって、MOSFETはFETと同様にユニポーラデバイスです。 1つのタイプの電荷キャリアが伝導を担っています。この例はNチャネルMOSFETです。これらの接続間に電圧を印加すると、ソースからドレインに大電流を流すことができます。実際の回路には、上の図（b）のドレインバッテリーと直列に負荷がかかります。

E-MOSFET

上記の図で説明したMOSFETは、拡張モードとして知られています。 MOSFET。非導電性のオフチャネルは、バイアスを適用してゲートの下のチャネルを拡張することによってオンになります。これは最も一般的な種類のデバイスです。他の種類のMOSFETについてはここでは説明しません。 空乏モードについては、絶縁ゲート電界効果トランジスタの章を参照してください。 デバイス。

MOSFETは、FETと同様に、電圧制御デバイスです。ゲートへの電圧入力は、ソースからドレインへの電流の流れを制御します。ゲートには連続電流が流れません。ただし、ゲートは電流のサージを引き込んでゲート容量を充電します。

NチャネルディスクリートMOSFETの断面図を下の図（a）に示します。ディスクリートデバイスは通常、高電力スイッチング用に最適化されています。 N +は、ソースとドレインが高濃度にN型にドープされていることを示します。これにより、ソースからドレインへの大電流経路での抵抗損失が最小限に抑えられます。 N-は軽いドーピングを示します。ソースとドレインの間のゲートの下のP領域は、正のバイアス電圧を印加することによって反転させることができます。ドーピングプロファイルは断面であり、シリコンダイ上に蛇行パターンで配置することができます。これにより、面積が大幅に増加し、その結果、現在の処理能力が向上します。

NチャネルMOSFET（拡張タイプ）:( a）断面図、（b）回路図記号。

上の図（b）のMOSFETの回路図記号は、「フローティング」ゲートを示しており、シリコン基板に直接接続されていないことを示しています。ソースからドレインへの破線は、このデバイスがオフであり、導通しておらず、ゲートのバイアスがゼロであることを示しています。通常「オフ」のMOSFETは、エンハンスメントモードデバイスです。チャネルは、導通のためにゲートにバイアスをかけることによって強化する必要があります。基板矢印の「ポインティング」端は、Pタイプの材料に対応し、Nタイプチャネルを指す「非ポインティング」端です。これは、NチャネルMOSFETの記号です。矢印は、Pチャネルデバイスの場合は反対方向を指します（図には示されていません）。 MOSFETは、ソース、ゲート、ドレイン、および基板の4つの端子デバイスです。基板はディスクリートMOSFETのソースに接続され、パッケージ化された部品を3端子デバイスにします。集積回路の一部であるMOSFETは、意図的に絶縁されていない限り、すべてのデバイスに共通の基板を備えています。この共通接続は、グランドまたは電源バイアス電圧に接続するためにダイから結合することができます。

V-MOS

Nチャネル「V-MOS」トランジスタ：（a）断面図、（b）回路図記号。

V-MOS （上の図）のデバイスは、オン状態のソースからドレインへの抵抗を低くするために配置されたドーピングプロファイルを備えた改良されたパワーMOSFETです。 VMOSの名前は、ソース-ドレインパスの断面積を増やすV字型のゲート領域に由来しています。これにより、損失が最小限に抑えられ、より高いレベルの電力を切り替えることができます。 U字型の溝を使用したバリエーションであるUMOSは、製造時の再現性が高くなります。

レビュー：

• MOSFETは単極伝導デバイスであり、FETのように、BJTとは異なり、1種類の電荷キャリアで伝導します。
• MOSFETは、FETのような電圧制御デバイスです。ゲート電圧入力は、ソースを制御して電流をドレインします。
• MOSFETゲートには、リークを除いて連続電流は流れません。ただし、ゲート容量を充電するには、かなりの初期電流サージが必要です。

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