パワーMOSFET

パワーMOSFETの概要

パワーMOSFET（Power MOSFET）は、大容量の電力を扱うことができるように設計されたMOSFETの一種です。他のパワーデバイスと比較し、特にスイッチング速度が速く、低電圧領域での変換効率が高いため、一般的に200V以下の範囲でスイッチング電源やDC-DCコンバータなどの用途に利用されます。

構造と動作原理

NチャネルMOSFET

パワーMOSFETの基本的な構造には、DMOS（Double-Diffused MOSFET）と呼ばれるものがあり、N+基板の上に低濃度のP型層（Pボディ）や高濃度のN型層を二重拡散で形成しています。この構造によって、複数の単位セルが並列接続されて一つのデバイスが形成されます。通常、素子のオン抵抗を低く抑えるために、単位セルの微細化が重要であり、トレンチゲート型MOSFETの開発が進められています。これにより、セルの面積を縮小しつつ、高耐圧化やスイッチング損失の低減が図られています。

素子の耐圧（BVDSS）はN層の不純物濃度と厚さに依存し、電流（I）についてはチャネル長によって決定されます。高い耐圧を実現するためには、N層の不純物濃度を低くし、厚みを増す必要がありますが、その際には電流を流す際の抵抗が増加する点も考慮されなければなりません。例えば、耐圧が60V程度のMOSFETではオン抵抗が100mΩ以下となり、30A程度のスイッチングを行った場合の電力ロスは5W以下と少なくなります。

一方で、耐圧が400V程度のMOSFETの場合、オン抵抗が1～10Ωに達し、10Aの電流においては10～100Wという非常に高い電力ロスが発生するため、このような高電圧用途では、通常はIGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が使用されます。

新技術の導入

近年では、炭化ケイ素（SiC）を用いた高耐圧のMOSFETが開発されており、低耐圧素子と同じ程度のN層の厚みと不純物濃度でオン抵抗100mΩ以下の素子が実現されています。この新たな技術により、高耐圧かつ低飽和電圧特性を持つIGBTも登場し、高効率の電力変換が可能となっています。

PチャネルMOSFET

NチャネルMOSFETに対して、PチャネルMOSFETも存在します。この場合は、P+基板上にPエピタキシャル層が形成され、表面側にN型層をもつ構造になっています。PチャネルMOSFETでは、主要なキャリアが正孔であり、電子に比べて移動度が低いため、オン抵抗が大きくなるることから、NチャネルMOSFETに比べスイッチング特性が劣ります。

基本特性

パワーMOSFETの特性の中で重要なものとして、耐圧とオン抵抗が挙げられます。

- BVDSS（ソース-ドレイン間耐圧）: これはPボディ層とNエピタキシャル層で生成されるPNダイオードのアバランシェ電圧に基づいて決まります。
- Ron（オン抵抗）: これは、ソースからドレインへキャリアが移動する経路の抵抗を総合的に評価したものです。この抵抗には、MOSのチャネル抵抗やNエピタキシャル層の抵抗などが影響を及ぼします。

パワーMOSFET