MOS FET

MOS FET

MOSとはMetal(金属)、Oxide(酸化物)、Semiconductor(半導体)の略で、FET

(Field Effect Transistor:電界効果トランジスタ)の種類の1つです。

MOS FETはモーター駆動などのスイッチング素子として利用されることが多く、特に大電流を高速にスイッチするのに適しています。

(原理)

図1に構造原理図を示します。

図1 構造原理

図1 a ) のように酸化絶縁膜の上に金属の電極をつけた部分をゲート(gate)と呼び、
各n型半導体の電極をソース(source)、ドレイン(drain)と呼びます。
p型半導体と酸化絶縁膜付近を反転層と呼び、反転層がn型の場合をNチャネルMOS FET、
b )のような構造で反転層がp型になるものをPチャネルMOS FETと言います。

(反転層)

反転層とは図2のように、絶縁膜をはさんで、ある程度の電圧を加えると、絶縁膜付近の
わずかな部分だけもともとの半導体と逆(図2の場合はp型がn型へ)になり、このことを
「反転」と言い、この部分を反転層と言います。
反転が発生したのは電圧を与えたことにより変化しましたのでこれを「電界効果」
と言います。

図2 反転

図2はp型半導体の場合ですが、n型半導体の場合はマイナスの電圧を加えればp型半導体
に反転します。

図3にNチャネル MOS FET の動作原理を示します。

ゲート・ソース間に同電位または
ゲートをオープンにすると
ドレイン・ソース間はNPN構造
のままですので電流は流れません。

図3 ゲートはGND

Nチャネル MOS FET

ドレインソース間はNPN構造のために
電流は流れない

今度は図4のようにゲートにプラスの電圧を与えるとP型半導体の一部がN型半導体に反転し、
ドレインーソース間がすべてN型半導体になり、電流が流れます、
ゲートに加える電圧の大きさにより、電流を制御できることになります。
このようにFETはゲート・ソース間に電圧を与えることにより動作します。

PチャネルMOS FETの電圧の与え方はNチャネルMOS FETと逆になります。

図4 ゲートにプラスの電圧を与える

 

FETとトランジスタの比較

(トランジスタ)

・ベースーエミッタ間のpn接合を順バイアスで使用する。ベース電流を流す
 ことにより動作する。
・入力インピーダンスはベースーエミッタ間に電流が流れるから低い。

(FET)

・ゲート・ソース間のpn接合を逆バイアスで使用する。ゲートに電圧を加えて動作
 する電圧駆動。
・入力インピーダンスはゲート・ソース間に電流がほとんど流れないので高い。
 ・トランジスタと比較してスイッチングスピードが速く、電力損失の点でも有利。

 

(MOS FETの特性)

MOS FETの基本接続を図5に示します。

 

図5 基本接続

 

a ) NチャネルMOS FET

 

b ) PチャネルMOS FET

VDS ドレイン・ソース間電圧
VGS ゲート・ソース間電圧
ID ドレイン電流

図6 a ) ,c ) のようにゲート・ソース間電圧VGSがゼロでもある値のドレイン電流IDが流れる特性を「デプレッション型」(depletion type)と言い、b ) , d ) のようにゲート・ソース間電圧VDSがゼロの場合、ドレイン電流IDもゼロになる特性を「エンハンスメント型」(enhancement type)と言います。

デプレッション型は主に高周波増幅の用途のMOS FETが多く、エンハンスメント型はスイッチング用途のMOS FETがこの特性になっています。

図6 MOS FETの特性と回路シンボル

nチャネル MOS FET

pチャネル MOS FET

a ) デプレッション

c ) デプレッション

b ) エンハンスメント

d ) エンハンスメント

   

エンハンスメント特性で図7のようにVGSの電圧を上げて、ドレイン電流が流れはじめるVGSの値を
「ゲートしきい値電圧Vth」と言います。

これは、MOS FETをスイッチング素子として使用した場合にFETがOFFになるゲート電圧を意味します。

ゲートしきい値電圧Vthは各FETのデータシートに記載されています。

(スイッチング回路例)

図8に基本形を示します。

図7 nチャネルMOS FET

図8 MOS FET 基本スイッチング回路

a ) Nチャネル (シンク駆動)

a ) のNチャネル型はゲートにプラスの電圧を与えれば FETがONし、b ) のPチャネルはゲート電圧がゼロ (GND)でFETがONします。

どちらもゲートしきい値電圧Vth以下でOFFし、ONするような電圧を加えることによりONします。

Nチャネルの場合での動作ポイントを図9に示します。

 

 

図9

 

 

 

 

 

 

 

b ) Pチャネル (ソース駆動)

 

 

図8の抵抗Rgはゲート電圧がオープンになった場合の誤動作防止用で図10のように
デジタルIC等で駆動する場合は不要です。

特に電力制御用のMOS FETをパワーMOS FETと言い、トランジスタと比較して
素子(トランジスタ、FET)がONになった時のON抵抗が小さいので熱損失
の点で大変有利でこのような用途に適しています。

図10

(製品例)

スイッチング用途として特に駆動電圧が+5V系、+3V系で駆動できるMOS FETの製品例を表1に示します。

型番が2SJXXXはPチャネル、2SKXXXはNチャネルのMOS FETです。

型番

メーカー

パッケージ

VDSS(V)

ID(A)

PD(W)

備考

2SJ334

東芝

TO-220NIS

-60

-30

45

4V駆動

2SJ349

東芝

TO-220NIS

-60

-20

45

4V駆動

2SJ401

東芝

PW-MOLD

-60

-20

100

4V駆動

2SJ439

東芝

PW-MOLD

-16

-5

20

2.5V駆動

2SK1381

東芝

TO-3P(N)

100

50

150

4V駆動

2SK2201

東芝

PW-MOLD

100

3

20

4V駆動

2SK2229

東芝

TPS

60

5

-

4V駆動

2SK2232

東芝

TO-220NIS

60

25

35

4V駆動

2SK2233

東芝

TO-3P(L)

60

45

100

4V駆動

2SK2312

東芝

TO-220NIS

60

45

45

4V駆動

2SK2313

東芝

TO-3P(N)

60

60

150

4V駆動

2SK2376

東芝

PW-MOLD

60

45

100

4V駆動

2SK2391

東芝

TO-220NIS

100

20

35

4V駆動

2SK2493

東芝

PW-MOLD

16

5

20

2.5V駆動

2SK2614

東芝

PW-MOLD

50

20

40

4V駆動

VDSS ドレイン・ソース間最大電圧

ID ドレイン最大電流(DC)

PD ドレイン許容損失 (Tc = 25°の場合)

詳細なデータは各データシートを参照願います。

外観例

パワーMOS FET Nチャネル

東芝 2SK2232 (TO-220NISパッケージ)