MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）トランジスタは、スイッチングの目的や電子デバイスの電子信号の増幅に広く使用されている半導体デバイスです。 MOSFETはコアまたは集積回路のいずれかであり、デバイスは非常に小さいサイズで入手できるため、シングルチップで設計および製造されます。 MOSFETデバイスの導入により、 電子機器の切り替え 。この概念の詳細な説明を行ってみましょう。

MOSFETとは何ですか？

MOSFETは、ソース（S）、ゲート（G）、ドレイン（D）、およびボディ（B）端子を備えた4端子デバイスです。一般に、MOSFETの本体はソース端子に接続されているため、電界効果トランジスタなどの3端子デバイスを形成します。 MOSFETは一般にトランジスタと見なされ、アナログ回路とデジタル回路の両方で使用されます。これが基本です MOSFETの紹介 。そして、このデバイスの一般的な構造は次のとおりです。

MOSFET

上から MOSFET構造 、MOSFETの機能は、キャリア（正孔または電子）の流れとともにチャネル幅で発生する電気的変動に依存します。電荷キャリアは、ソース端子からチャネルに入り、ドレインから出ます。

チャネルの幅は、ゲートと呼ばれる電極の電圧によって制御され、ソースとドレインの間に配置されます。金属酸化物の非常に薄い層の近くのチャネルから絶縁されています。デバイスに存在するMOS容量は、操作全体がこれにまたがる重要なセクションです。

端子付きMOSFET

MOSFETは2つの方法で機能できます

枯渇モード
エンハンスメントモード

枯渇モード

ゲート端子間に電圧がない場合、チャネルは最大コンダクタンスを示します。一方、ゲート端子間の電圧が正または負の場合、チャネルの導電率は低下します。

例えば

エンハンスメントモード

ゲート端子間に電圧がない場合、デバイスは導通しません。ゲート端子間に最大電圧がある場合、デバイスは導電率が向上しています。

エンハンスメントモード

MOSFETの動作原理

MOSFETデバイスの主な原理は、ソース端子とドレイン端子の間の電圧と電流の流れを制御できるようにすることです。これはほとんどスイッチのように機能し、デバイスの機能はMOSコンデンサに基づいています。 MOSコンデンサはMOSFETの主要部分です。

ソース端子とドレイン端子の間にある下の酸化物層の半導体表面は、正または負のゲート電圧をそれぞれ印加することにより、p型からn型に反転させることができます。正のゲート電圧に反発力を加えると、酸化物層の下にある穴が基板とともに押し下げられます。

アクセプター原子に関連する結合した負電荷が存在する空乏領域。電子に到達すると、チャネルが発達します。正の電圧はまた、n +ソースおよびドレイン領域からチャネルに電子を引き付けます。ここで、ドレインとソースの間に電圧が印加されると、電流はソースとドレインの間を自由に流れ、ゲート電圧がチャネル内の電子を制御します。正の電圧の代わりに負の電圧を印加すると、酸化物層の下に正孔チャネルが形成されます。

MOSFETのブロック図

PチャネルMOSFET

PチャネルMOSFETには、ソース端子とドレイン端子の間にPチャネル領域があります。これは、ゲート、ドレイン、ソース、およびボディとして端子を備えた4端子デバイスです。ドレインとソースは高濃度にドープされたp +領域であり、ボディまたは基板はn型です。電流の流れは、正に帯電した正孔の方向です。

ゲート端子に反発力で負の電圧を印加すると、酸化物層の下に存在する電子が基板に押し下げられます。ドナー原子に関連する結合した正電荷が存在する空乏領域。負のゲート電圧は、p +ソースおよびドレイン領域からチャネル領域にも正孔を引き付けます。

枯渇モードPチャネル

Pチャネル拡張モード

NチャネルMOSFET

NチャネルMOSFETには、ソース端子とドレイン端子の間にNチャネル領域があります。これは、ゲート、ドレイン、ソース、ボディとして端子を備えた4端子デバイスです。このタイプの電界効果トランジスタでは、ドレインとソースは高濃度にドープされたn +領域であり、基板またはボディはPタイプです。

このタイプのMOSFETに流れる電流は、負に帯電した電子が原因で発生します。ゲート端子に反発力で正の電圧を印加すると、酸化物層の下に存在する正孔が基板に押し下げられます。空乏領域には、アクセプター原子に関連する結合した負電荷が存在します。

電子が到達すると、チャネルが形成されます。正の電圧はまた、n +ソースおよびドレイン領域からチャネルに電子を引き付けます。ここで、ドレインとソースの間に電圧が印加されると、電流はソースとドレインの間を自由に流れ、ゲート電圧がチャネル内の電子を制御します。正の電圧の代わりに負の電圧を印加すると、酸化物層の下に正孔チャネルが形成されます。

“シンプルなAMラジオ受信機回路 ”

エンハンスメントモードNチャンネル

MOSFETの動作領域

最も一般的なシナリオでは、このデバイスの操作は主に3つの地域で発生し、それらは次のとおりです。

カットオフリージョン– これは、デバイスがオフ状態になり、電流がゼロになる領域です。ここでは、デバイスは基本的なスイッチとして機能し、電気スイッチとして動作するために必要な場合に使用されます。
飽和領域– この領域では、デバイスは、ドレイン-ソース間の電圧の上昇を考慮せずに、ドレイン-ソース間電流値を一定に保ちます。これは、ドレインからソース端子までの電圧がピンチオフ電圧値よりも増加した場合に1回だけ発生します。このシナリオでは、デバイスは閉じたスイッチとして機能し、ドレインからソース端子に飽和レベルの電流が流れます。このため、デバイスがスイッチングを実行することになっているときに飽和領域が選択されます。
線形/オーミック領域– これは、ドレインからソースへのパスの両端の電圧の増加に伴って、ドレインからソースへの端子の両端の電流が増加する領域です。 MOSFETデバイスがこの線形領域で機能する場合、それらは増幅器機能を実行します。

ここで、MOSFETのスイッチング特性について考えてみましょう。

MOSFETやバイポーラ接合トランジスタなどの半導体も、基本的に2つのシナリオでスイッチとして機能します。1つはオン状態で、もう1つはオフ状態です。この機能を検討するために、MOSFETデバイスの理想的で実用的な特性を見てみましょう。

理想的なスイッチ特性

MOSFETが理想的なスイッチとして機能することになっている場合、MOSFETは以下の特性を保持する必要があります。

オン状態では、それが運ぶ現在の制限がなければなりません
オフ状態では、ブロッキング電圧レベルはいかなる種類の制限も保持するべきではありません
デバイスがオン状態で機能する場合、電圧降下値はnullである必要があります
OFF状態での抵抗は無限大でなければなりません
動作速度に制限はありません

実用的なスイッチ特性

世界は理想的なアプリケーションに固執しているだけではないので、MOSFETの機能は実用的な目的にも適用できます。実際のシナリオでは、デバイスは以下のプロパティを保持する必要があります

ON状態では、電力管理能力を制限する必要があります。つまり、導通電流の流れを制限する必要があります。
オフ状態では、ブロッキング電圧レベルを制限しないでください
有限時間オンとオフを切り替えると、デバイスの制限速度が制限され、機能周波数も制限されます
MOSFETデバイスのオン状態では、最小の抵抗値があり、これにより転送バイアスの電圧降下が発生します。また、逆リーク電流を供給する有限のオフ状態抵抗が存在します
デバイスが実際の特性で動作している場合、オンおよびオフの状態で電源が失われます。これは遷移状態でも起こります。

スイッチとしてのMOSFETの例

以下の回路構成では、エンハンスドモードとNチャネルMOSFETを使用して、サンプルランプをオンとオフの条件で切り替えています。ゲート端子の正電圧がトランジスタのベースに印加され、ランプがオン状態になり、ここでV_GS= + vまたはゼロ電圧レベルでは、デバイスはオフ状態になり、V_GS= 0。

“電源フィルターコンデンサー計算機 ”

スイッチとしてのMOSFET

ランプの抵抗性負荷を誘導性負荷に置き換え、負荷に保護されているリレーまたはダイオードに接続する場合。上記の回路では、ランプやLEDなどの抵抗性負荷を切り替えるための非常に単純な回路です。ただし、誘導性負荷または容量性負荷のいずれかを備えたスイッチとしてMOSFETを使用する場合は、MOSFETデバイスの保護が必要です。

MOSFETが保護されていない場合、デバイスの損傷につながる可能性があります。 MOSFETがアナログスイッチングデバイスとして動作するためには、VがVであるカットオフ領域間でスイッチングされる必要があります。_GS= 0および飽和領域ここでV_GS= + v。

ビデオの説明

MOSFETはトランジスタとしても機能し、金属酸化物シリコン電界効果トランジスタと略されます。ここで、名前自体は、デバイスがトランジスタとして動作できることを示しています。 PチャネルとNチャネルがあります。デバイスは、4つのソース、ゲート、およびドレイン端子を使用して接続され、24Ωの抵抗負荷が電流計と直列に接続され、電圧計がMOSFETの両端に接続されます。

トランジスタでは、ゲートを流れる電流は正の方向であり、ソース端子はグランドに接続されています。一方、バイポーラ接合トランジスタデバイスでは、電流はベースからエミッタへの経路を横切って流れます。しかし、このデバイスでは、ゲートの先頭にコンデンサがあるため、電流は流れません。必要なのは電圧だけです。

これは、シミュレーションプロセスを続行し、オン/オフを切り替えることで発生します。スイッチがオンの場合、回路に電流は流れません。24Ωの抵抗と0.29の電流計電圧が接続されている場合、このデバイスの両端には+ 0.21Vがあるため、ソースの両端の電圧降下はごくわずかです。

ドレインとソース間の抵抗はRDSと呼ばれます。このRDSにより、回路に電流が流れると電圧降下が発生します。 RDSは、デバイスのタイプによって異なります（電圧のタイプに基づいて、0.001、0.005、および0.05の間で変化する可能性があります。

学ぶべき概念のいくつかは次のとおりです。

1）。スイッチとしてMOSFETを選択する方法 ？

MOSFETをスイッチとして選択する際に観察すべきいくつかの条件があり、それらは次のとおりです。

PまたはNチャネルのいずれかの極性の使用
動作電圧および電流値の最大定格
Rds ONの増加。これは、チャネルが完全に開いているときのドレインからソースへの端子の抵抗を意味します。
運用頻度の向上
梱包の種類はTo-220やDPAckなど多数あります。

2）。 MOSFETスイッチ効率とは何ですか？

MOSFETをスイッチングデバイスとして動作させる際の主な制限は、デバイスが可能な拡張ドレイン電流値です。これは、オン状態のRDSがMOSFETのスイッチング能力を決定する重要なパラメータであることを意味します。これは、ドレイン-ソース間電圧とドレイン電流の比率として表されます。トランジスタのON状態でのみ計算する必要があります。

3）。ブーストコンバータにMOSFETスイッチを使用する理由

一般に、ブーストコンバータはデバイスの動作のためにスイッチングトランジスタを必要とします。そのため、スイッチングトランジスタとしてMOSFETが使用されます。これらのデバイスは、現在の値と電圧値を知るために使用されます。また、スイッチング速度とコストを考慮して、これらは広く採用されています。

同様に、MOSFETは複数の方法で使用することもできます。そしてそれらは

LEDのスイッチとしてのMOSFET
remove_circle_outline
ArduinoのスイッチとしてのMOSFET
AC負荷用MOSFETスイッチ
DCモーター用MOSFETスイッチ
負電圧用MOSFETスイッチ
ArduinoのスイッチとしてのMOSFET
マイクロコントローラを備えたスイッチとしてのMOSFET
ヒステリシス付きMOSFETスイッチ
スイッチダイオードおよびアクティブ抵抗としてのMOSFET
スイッチ方程式としてのMOSFET
エアソフト用MOSFETスイッチ
スイッチゲート抵抗としてのMOSFET
スイッチングソレノイドとしてのMOSFET
フォトカプラを使用したMOSFETスイッチ
ヒステリシス付きMOSFETスイッチ

スイッチとしてのMOSFETの応用

このデバイスの最も重要な例の1つは、街路灯の自動輝度制御のスイッチとして使用されることです。最近、私たちが高速道路で観察するライトの多くは、高輝度放電ランプで構成されています。しかし、HIDランプを使用すると、エネルギーレベルが高くなります。

要件に基づいて明るさを制限することはできません。そのため、代替の照明方法のスイッチが必要であり、それはLEDです。 LEDシステムを使用すると、高輝度ランプの欠点を克服できます。この建設の背後にある主な概念は、マイクロプロセッサを利用して高速道路の照明を直接制御することでした。

スイッチとしてのMOSFETアプリケーション

これは、クロックパルスを変更するだけで実現できます。必要に応じて、このデバイスはランプの切り替えに使用されます。これは、管理用のプロセッサに含まれているラズベリーパイボードで構成されています。ここでは、HIDの代わりにLEDを使用でき、これらはMOSFETを介してプロセッサと接続されています。マイクロコントローラは対応するデューティサイクルを提供し、次にMOSFETに切り替えて高レベルの強度を提供します。