MOSFETの理解：動作原理、種類、主要アプリケーション

MOSFETは「Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor」（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）の略です。従来のトランジスタと同様に、現代のパワーエレクトロニクスにおいて多くの用途を持つトランジスタの一種です。その動作は、電気がどのように流れるかに基づいています。MOSFETは様々な回路で多様な用途があります。この記事では、MOSFETの動作原理、基本タイプ、BJTに対する利点、アプリケーションについて解説します。また、あなたの回路でMOSFETをどう活用するかも学べます。

始めましょう！

MOSFETとは？

MOSFETはコンパクトなトランジスタです。トランジスタは、それらを通過する電圧を制御することで電流の流れを制御する半導体デバイスです。

BJTとの違いは、電流をどう通すかにあります。MOSFETでは、ゲート領域に印加される電圧がドレインからソースへ流れる電流量を決定します。この特性が「Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors」という名前の由来です。興味深いことに、これらのトランジスタは信号を増幅したり、特定の種類の電荷キャリアのみを通したりできます。

(MOSFET構造)

出典：Wiki Commons

要約すると、閉回路における電流の流れを決定する三端子デバイスです。主要な構造端子は、ソース（S）、ゲート（G）、ドレイン（D）です。その動作は印加されたゲート電圧に依存します。しかし、ボディを考慮すると、MOSFETは四端子デバイスとなります。

(電子コンピュータハードウェア背景のMOSFET)

MOSFETの基本タイプ

MOSFETには三つの基本タイプがあります。

第一は「Nチャネルエンハンスメントモード MOSFET」または通常オン（NチャネルMOSFET）です。ゼロ入力電圧でもドレインとソース間のチャネルに電流が流れます。ゲート信号が不要で、シンプルなデジタル回路に有用です。ここではピンが物理的に分離されています。

(Nチャネルエンハンスメントモード MOSFET)

第二は「Nチャネルディプレッションモード」または通常オフ（Nチャネル）です。負電圧を印加するとオンになり、電流が流れます。オフ時に抵抗として振る舞う利点があり、入力電圧制御が必要な特定用途に有用です。ピンは物理的に接続されています。

(Nチャネルディプレッションモード MOSFET)

第三は「Pチャネルディプレッションモード MOSFETトランジスタ」または通常オフ（PチャネルMOSFET）です。正電荷が端子間を流れない限り電流を遮断します。つまり、絶縁体として働き、常時電流を流す必要がある用途には不向きです。

(Pチャネルディプレッションモード MOSFET)

最後に「Pチャネルエンハンスメントモード MOSFET」または通常オン（Pチャネル）MOSFETです。ゼロゲート・ソース電圧で電流伝導します。Nチャネル対応品よりオフ時にエネルギーを消費しない利点があり、スイッチング用途に使用できます。

(Pチャネルエンハンスメントモード MOSFET)

MOSFETの動作原理

まず、MOSFETがどう動作するか話しましょう。答えはあなたを驚かせるかもしれません！

(MOSFET回路図)

出典：Wiki Commons

MOSFETは、印加電圧に応じて端子間の電流を流すか流さないかで動作します。金属酸化膜層に隣接する半導体表面に印加電圧によって生じる電界効果で動作します。これにより、MOSFETはP型またはN型として機能できます。

ゲート電極が、ソース側のチャネルとデバイス内のドレイン領域間のチャネル伝導度を制御します。この動作原理により、トランジスタは理想的なスイッチとして働き、回路を通る電気の流れを制御できます。

ゲート領域を通過する電圧量を制御することで、ドレイン・ソースチャネルのドレイン電流を決定できます。

(MOSFETシンボルインライン設計)

注： MOSFETトランジスタとBJTトランジスタはわずかに異なります。BJTでは電流がコレクタからエミッタへ流れますが、MOSFETではソースとドレイン間で流れます。ゲート端子に印加される電圧が特定の閾値電圧を超えると、電流が流れ始めます。

BJTに対するMOSFETの利点

MOSFETのBJTに対する利点は以下の通りです：

第一に、MOSFETはよりコンパクトな回路作成に有用です。
第二に、MOSFETはBJTトランジスタより少ない電力とエネルギーで済み、全体的に効率的です。ベース電流がないため、オフ状態ではデバイスは非常に少ないエネルギーしか消費しません。
第三に、MOSFETはBJTトランジスタより製造コストが安く、自宅やホビー用途の回路設計で好まれます。
次に、MOSFETはゲート端子がPNPトランジスタのように絶縁を必要としないため、高温環境で動作できます。温度が非常に高くなる用途で有用です。
最後に、MOSFETは二つの伝導端子を持つため電圧増幅に有用です。この特性により、オン状態でより大きな電流を回路に流せます。対照的に、BJTはドレインからソース端子（またはその逆）へ電流を流すのに一つの端子しか必要としません。

(コンピュータエンジニアのピンセット)

MOSFETのアプリケーション

スイッチとしてのMOSFET

MOSFETは制御電圧のために電気パワーアプリケーションで非常に有用です。ゲート端子を通じて電流流れを制御することで簡単にこれを実現できます。その結果、オンまたはオフ（一次スイッチのような）になります。これにより、MOSFETは電源と電力を必要とするデバイス間のインターフェースとして理想的なデバイスとなります。