MOSFET

MOSFET（メタル酸化膜半導体電界効果トランジスタ）

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）は、電界効果トランジスタの一種で、集積回路（LSI）での使用が極めて一般的です。通常、シリコンを基材に用い、IGFETやMISFETといった類似の用語が使われることもあります。この素子の考案者はユリウス・エドガー・リリエンフェルトです。

MOSFETの種類

MOSFETには、微細な構造を持つものと、高電圧や高電流用に設計されたパワーMOSFETの2つがあります。微細MOSFETは集積回路に適し、パワーMOSFETは個別半導体として使われることが多く、高い耐圧を実現するために縦方向の電荷流れを利用します。

構造と動作原理

MOSFETは主にp型シリコン基板の上に作成され、その構造にはゲート領域とドレイン・ソース領域が含まれています。n型MOS（NMOS）では、p型基板のゲート領域に酸化膜と金属が形成され、ドレイン・ソースにはn型の不純物が注入されます。p型MOS（pMOS）では、同様の手法でp型が注入されます。

MOSFETは、ゲート電圧が加えられることで基板表面に反転層を形成し、ソースからドレインに電流を流す役割を果たします。電圧が比較的低い場合、ゲート電圧に比例して電流は増加しますが、一定のしきい値を超えると飽和領域に入ります。この状態では、さらにドレイン電圧を上げても電流は変化しません。

特性の向上

技術進化により、ゲート長を短くし、絶縁体の厚さを薄化する手法やSOI技術が導入され、MOSFETの動作速度やトランスコンダクタンスの問題が克服されています。最近では、シリコンMOSFETが数GHzの動作を可能にし、高速動作用のFET市場での位置を強化しています。

パワーMOSFETとその応用

パワーMOSFETは大電流用に特化されており、従来のバイポーラトランジスタと比較して消費電力が少なく、高速スイッチングが可能です。このような特性から、電力スイッチング用途においても優れた選択肢となっています。最近では、トレンチゲート技術を用いた高耐圧化やオン抵抗の低減が進められ、より効率的なデバイスが開発されています。

デバイスの構成

MOSFETは通常、3端子デバイスとして扱われますが、集積回路内部では4端子素子としても扱われる点が特徴です。これにより、高度な集積が可能となり、回路設計の柔軟性が向上します。

比較と選定

バイポーラトランジスタと比較すると、MOSFETはゲートに電流が流れず、低消費電力で動作します。MOSFETはユニポーラデバイスとして、電子またはホールの単一のキャリアを使用するため、動作がより効率的です。この構造は、デジタル回路及びアナログ回路双方で、広範な応用可能性を提供します。

結論

MOSFETは現代の電子機器において不可欠な構成要素であり、その特性や動作を理解することで、より効率的な回路設計が可能となります。パワーMOSFETは特に大規模な電力制御に欠かせない存在です。

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