絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（MOSFET）——設計、動作、パワーバリエーション

絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（IGFET）、通称金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）は、電界効果トランジスタファミリーの主要バリエーションです。現代エレクトロニクスでは、MOSFETがデジタルICを支配し、1チップに数億個ものデバイスが集積されることも珍しくありません。寸法は日常的に1ミクロン未満まで縮小し、ムーアの法則が持続する限り約18ヶ月ごとに縮小し続けています。ディスクリートバイポーラ接合トランジスタ（BJT）が単体パッケージではより一般的ですが、大面積MOSFETは低電圧で100 A近くをスイッチングでき、特殊デバイスでは低電流で最大1 kVまで対応可能です。これらのトランジスタは数平方ミリメートルのSi面積を占有し、電力制約システムにおける重要性を物語っています。

MOSFETの動作

MOSFETは従来のFETと同様にソース、ゲート、ドレイン端子を持ちますが、ゲートが薄い酸化膜層によってSiから絶縁されています。ゲート構造は金属-酸化膜-半導体（MOS）キャパシタに似ています——充電されると、ゲートが反転層を誘起し、ソースとドレイン間で伝導を可能にします。Nチャネルデバイスの場合、正のゲートバイアスがP型基板に電子を引き寄せ、反転したN型チャネルを形成し、高濃度ドープされたソースとドレインを橋渡しします。結果として、単一キャリアタイプ——この場合は電子——が伝導を担う単極性デバイスとなります。

絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（MOSFET）——設計、動作、パワーバリエーション

NチャネルMOSキャパシタ：(a) 無電荷、(b) 充電状態。

NチャネルMOSFET（エンハンスメント型）：(a) 0 Vゲートバイアス、(b) 正のゲートバイアス。正のゲートバイアスがキャパシタを充電し、ソースとドレインを接続する反転領域を誘起。ドレイン-ソース電圧印加時に大電流が流れます。実用回路では、負荷をドレイン電源と直列に接続します。

E-MOSFET（エンハンスメントモード）

上記構成はエンハンスメントモードMOSFETであり、最も普及したタイプです。デバイスはノーマリオフで、閾値以上のゲート電圧で反転チャネルを強化（エンハンス）してオンにします。BJTと異なり、MOSFETのゲートは定常電流を消費せず、キャパシタンス充電のための短いサージ電流のみを必要とします。

ディスクリートMOSFET断面

典型的なNチャネルディスクリートMOSFETの断面を下に示します。ソースとドレインの高濃度N型ドープ（N+）が直列抵抗を低減し、チャネル領域の低濃度ドープ（N−）がリークを最小化します。P型ゲート領域は正バイアスで反転し、ソースからドレインへの低抵抗経路を形成します。多くの高電力デバイスは、実効チャネル面積と電流容量を増やすためサーペンタインレイアウトを採用します。

NチャネルMOSFET（エンハンスメント型）：(a) 断面図、(b) 回路記号。

V-MOS（V字型MOSFET）

V-MOSデバイスは、ソース-ドレインチャネル面積を拡大するV字型ゲートを備え、オン抵抗を低減し、より高い電力処理を可能にします。U字型バリエーション（UMOS）は、製造性を向上しつつ性能を維持します。

重要なポイント