エンハンスメント MOSFET : 動作、違い、およびそのアプリケーション

MOSFET (金属酸化膜半導体 FET) は、主に信号の増幅またはスイッチングに使用される絶縁ゲートを備えた電界効果トランジスタの一種です。現在、アナログ回路とデジタル回路では、MOSFET は通常の回路よりも頻繁に使用されています。 BJT . MOSFET は入力インピーダンスが無限であるため、主にアンプで使用され、アンプはほとんどすべての入力信号をキャプチャできます。主なメリットは MOSFET BJTと比較して、負荷電流を制御するための入力電流がほとんど必要ないということです。 MOSFET は、エンハンスメント MOSFET とデプリーション MOSFET の 2 種類に分類されます。したがって、この記事では、 エンハンスメントMOSFET – アプリケーションの操作。

エンハンスメント型MOSFETとは

エンハンスメント モードで動作する MOSFET は、E-MOSFET またはエンハンスメント MOSFET として知られています。エンハンスメント モードとは、この MOSFET のゲート端子に向かう電圧が増加するたびに、ドレインからソースへの電流の流れが最高レベルに達するまで増加することを意味します。この MOSFET は、端子がソース、ゲート、およびドレインである 3 端子電圧制御デバイスです。

これらの MOSFET の特徴は、低消費電力、簡単な製造、小型のジオメトリです。したがって、これらの機能により、集積回路内で使用されるようになります。ゲート端子とソース端子間に電圧が印加されていない場合、この MOSFET のドレイン (D) とソース (S) の間に経路はありません。したがって、ゲートからソースに電圧を印加すると、チャネルが強化され、電流を伝導できるようになります。この特性が、このデバイスをエンハンスメント モード MOSFET と呼ぶ主な理由です。

エンハンスメント MOSFET 記号

P チャネルと N チャネルの両方のエンハンスメント MOSFET 記号を以下に示します。以下の記号では、破線がソースから基板端子に単純に接続されていることがわかります。これは、エンハンスメント モード タイプを示します。

EMOSFET の導電性は、チャネルに向かって電荷キャリアを追加する酸化物層を増やすことによって強化されます。通常、このレイヤーは反転レイヤーとして知られています。

この MOSFET のチャネルは、D (ドレイン) と S (ソース) の間に形成されます。 Ｎチャネル型ではＰ型基板が使用され、Ｐチャネル型ではＮ型基板が使用される。ここで、電荷キャリアによるチャネル伝導率は、主に P 型チャネルまたは N 型チャネルに応じて異なります。

拡張 Mosfet 動作原理

強化 タイプMOSFETは通常オフです。つまり、エンハンスメントタイプMOSFETが接続されている場合、ゲート端子に電圧が与えられていない場合、端子ドレイン（D）からソース（S）への電流は流れません。これが、このトランジスタを 通常はオフのデバイス .

同様に、電圧がこの MOSFET のゲート端子に与えられると、ドレイン-ソース チャネルの抵抗が非常に低くなります。ゲートからソース端子への電圧が増加すると、ドレイン端子からソース端子への最大電流が供給されるまで、ドレインからソース端子への電流の流れも増加します。

工事

の エンハンスメントMOSFETの構造 を以下に示します。この MOSFET は、ゲート、ドレイン、ソースの 3 層で構成されています。 MOSFETのボディは、内部でソースに接続されている基板として知られています。 MOSFET では、半導体層からの金属ゲート端子は、二酸化シリコン層または誘電体層によって絶縁されています。

この EMOSFET は、P 型半導体と N 型半導体のような 2 つの材料で構成されています。基板は、デバイスを物理的にサポートします。薄い SiO 層と優れた電気絶縁体が、ソース端子とドレイン端子の間の領域を単純に覆います。酸化物層の上に、金属層がゲート電極を形成する。

この構成では、2 つの N 領域は、低濃度にドープされた p 型基板上で数マイクロメートルの距離で分離されています。これらの 2 つの N 領域は、ソース端子とドレイン端子のように機能します。表面には、二酸化ケイ素として知られる薄い絶縁層が形成されます。この層に形成された正孔のような電荷キャリアは、ソース端子とドレイン端子の両方にアルミニウム接点を確立します。

この導電層は、チャネルの全領域だけでなく、SiO2 上に配置されたターミナル ゲートのように機能します。ただし、伝導に関しては、物理的なチャネルは含まれていません。この種のエンハンスメント MOSFET では、p 型基板が SiO2 層全体に広がっています。

働く

EMOSFET の動作は、VGS が 0V の場合であり、ソースとドレインを接続するチャネルはありません。 ｐ型基板は、自由電子のような少数の熱的に生成された少数電荷キャリアしか持たないので、ドレイン電流はゼロである。このため、この MOSFET は通常はオフになっています。

ゲート (G) が正 (+ve) になると、p 基板から電子などの少数電荷キャリアが引き付けられ、これらの電荷キャリアは SiO2 層の下の正孔を介して結合します。さらに VGS が増加すると、電子が結合を克服するのに十分な可能性があり、より多くの電荷キャリア、つまり電子がチャネルに蓄積されます。

ここでは、誘電体を使用して、二酸化シリコン層を横切る電子の移動を防ぎます。この蓄積により、ドレイン端子とソース端子の間に n チャネルが形成されます。したがって、これにより、チャネル全体に生成されたドレイン電流が流れる可能性があります。このドレイン電流は、ゲートの +ve 端子に引き付けられる電荷キャリアにさらに依存するチャネルの抵抗に単純に比例します。

エンハンスメント型MOSFETの種類

それらは2つのタイプで利用できます NチャンネルエンハンスメントMOSFET と PチャネルエンハンスメントMOSFET .

N チャネル エンハンスメント タイプでは、低濃度にドープされた p 基板が使用され、2 つの高濃度にドープされた n 型領域がソースおよびドレイン端子になります。このタイプの E-MOSFET では、電荷キャリアの大部分は電子です。詳細については、このリンクを参照してください – NチャンネルMOSFET。

P チャネル タイプでは、低濃度にドープされた N 基板が使用され、2 つの高濃度にドープされた p 型領域がソースおよびドレイン端子になります。このタイプの E-MOSFET では、電荷キャリアの大部分は正孔です。詳細については、このリンクを参照してください – PチャネルMOSFET .

特徴

n チャネル エンハンスメント MOSFET と p チャネル エンハンスメントの VI およびドレイン特性については、以下で説明します。

排水特性

の NチャネルエンハンスメントMOSFETのドレイン特性 以下に示します。これらの特性では、図に示すように、さまざまな Vgs 値に対して Id と Vds の間にプロットされたドレイン特性を観察できます。Vgs 値が増加すると、電流「Id」も増加することがわかります。

特性上の放物線は Id(ドレイン電流)が飽和する VDS の軌跡を示します。このグラフでは、線形領域または抵抗領域が示されています。この領域では、MOSFET は電圧制御抵抗として機能します。したがって、Vds 値が固定されている場合、Vgs 電圧値を変更すると、チャネル幅が変更されるか、チャネルの抵抗が変更されると言えます。

オーム領域は、VDS 値の増加に伴って電流「IDS」が上昇する領域です。 MOSFET がオーム領域で動作するように設計されると、増幅器として利用できます。 .

トランジスタがオンになり、チャネル全体に電流が流れ始める時点のゲート電圧は、しきい値電圧 (VT または VTH) として知られています。 N チャネルの場合、このしきい値電圧値の範囲は 0.5V ～ 0.7V ですが、P チャネル デバイスの場合は -0.5V ～ -0.8V の範囲です。

Vds Vt の場合はいつでも、この場合、MOSFET は線形領域で動作します。したがって、この地域では、 電圧制御抵抗 .

カットオフ領域では、電圧 Vgs

MOSFET が軌跡の右側で動作するときはいつでも、それが動作していると言えます。 飽和領域 .したがって、数学的には、Vgs 電圧が > または = Vgs-Vt の場合は常に、飽和領域で動作しています。したがって、これはすべて、エンハンスメントMOSFETのさまざまな領域でのドレイン特性に関するものです。

伝達特性

の NチャネルエンハンスメントMOSFETの伝達特性 以下に示します。伝達特性は、入力電圧「Vgs」と出力ドレイン電流「Id」の関係を示しています。これらの特性は基本的に、Vgs 値が変化したときに「Id」がどのように変化するかを示しています。したがって、これらの特性から、ドレイン電流「Id」はしきい値電圧までゼロであることがわかります。その後、Vgs 値を増やすと、「Id」が増加します。

現在の「Id」と Vgs の関係は、Id = k(Vgs-Vt)^2 として与えられます。ここで、「K」はデバイスの物理パラメータに依存するデバイス定数です。したがって、この式を使用することで、Vgs 値を固定した場合のドレイン電流値を求めることができます。

PチャネルエンハンスメントMOSFET

の PチャネルエンハンスメントMOSFETのドレイン特性 以下に示します。ここで、Vds と Vgs は負になります。ドレイン電流「Id」は、ソースからドレイン端子に供給されます。このグラフからわかるように、Vgs がより負になると、ドレイン電流「Id」も増加します。

Vgs >VT の場合、この MOSFET はカットオフ領域で動作します。同様に、この MOSFET の伝達特性を観察すると、N チャネルの鏡像になります。

アプリケーション

エンハンスメント MOSFET のバイアス

一般に、エンハンスメント MOSFET (E-MOSFET) は、分圧器バイアスまたはドレイン フィードバック バイアスでバイアスされます。しかし、E-MOSFET セルフバイアス＆ゼロバイアスでバイアスをかけることはできません。

分圧器のバイアス

N チャネル E-MOSFET の分圧器バイアスを以下に示します。分圧器のバイアスは、BJT を使用した分圧器回路に似ています。実際、NPN BJT がエミッタよりも高いベース電圧を必要とするように、N チャネル エンハンスメント MOSFET はソースよりも高いゲート端子を必要とします。

この回路では、R1 や R2 などの抵抗を使用して、ゲート電圧を確立するための分圧回路を作成します。

E-MOSFET のソースが GND に直接接続されている場合、VGS = VG です。そのため、抵抗 R2 の両端の電位は、I のような E-MOSFET 特性方程式で適切に動作させるために VGS(th) より高く設定する必要があります。 _D = K (V _GS -の _GS (番目))^2。

VG値を知ることにより、E-MOSFETの特性方程式を使用してドレイン電流を確立します。しかし、デバイス定数「K」は、VGS (オン) と ID (オン) の座標ペアに応じて、特定のデバイスについて計算できる唯一の不足要素です。

定数「K」は、K = I のような E-MOSFET の特性方程式から導出されます。 _D /（の _GS -の _GS (番目))^2。

K = 私 _D /（の _GS -の _GS (番目))^2。

したがって、この値は他のバイアス ポイントに使用されます。

フィードバック バイアスのドレイン

このバイアスは、前述の特性曲線の「オン」動作点を使用します。アイデアは、電源とドレイン抵抗を適切に選択してドレイン電流を設定することです。ドレイン フィードバック回路のプロトタイプを以下に示します。

これは、いくつかの基本的なコンポーネントを使用する非常に単純な回路です。この操作は、KVL を適用することで理解できます。

の _DD = V _RD + V _RG + V _GS

の _DD =私 _D R _D + 私 _G R _G + V _GS

ここで、ゲート電流は重要ではないため、上記の式は次のようになります。

の _DD =私 _D R _D +V _GS

そしてまたV _{DS =} の _GS

したがって、

の _GS =V _DS = V _DD −私 _D R _D

この式は、バイアス回路設計の基礎として利用できます。

エンハンスメント MOSFET とデプレション MOSFET

エンハンスメント MOSFET とデプリーション MOSFET の違いには、次のようなものがあります。

詳細については、このリンクを参照してください – デプリーションモード MOSFET .

の エンハンスメントMOSFETの応用 以下のものが含まれます。

• 一般に、エンハンスメント MOSFET は、スイッチング、アンプ、およびインバータ回路で使用されます。
• これらは、さまざまなモーター ドライバー、デジタル コントローラー、パワー エレクトロニクス IC で使用されます。
• デジタルエレクトロニクスに使用されています。

したがって、これは拡張機能の概要に関するすべてです MOSFET – 動作中 アプリケーションで。 E-MOSFET は、エンハンスメント モードでのみ動作する高電力バージョンと低電力バージョンの両方で入手できます。ここで質問です。デプリーション MOSFET とは何ですか?