MOSFETとIGBT

前項まではトランジスタの中でも最も主要なバイポーラトランジスタの説明をしてきました。トランジスタにはほかにも様々な種類のものがあるので、この項では、その中でも試験で出題されやすそうなMOSFETとIGBTについて解説します。

MOSFET

MOSFETはMetal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistorの略で、直訳すると、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタとなります。

基本的な機能はバイポーラトランジスタと変わりません(つまり電流の増幅とオン・オフ制御を担います)が、MOSFETは低電圧領域での変換効率が高いことと、スイッチング速度が速いという長所を持っているため、主に電圧が低い変換装置において、高い周波数でスイッチングする用途に用いられます。

また、バイポーラトランジスタの構成要素は、C(コレクタ)、E(エミッタ)、B(ベース)でしたが、MOSFETの構成要素は、D(ドレーン)、S(ソース)、G(ゲート)の3つとなり、回路図における記号は次の通りです。

nチャネルMOSFETでは、G(ゲート)に正の電圧V_GSを加えるとD(ドレーン)とS(ソース)が接続され、D→Sの向きに電流が流れます。

pチャネルMOSFETでは、G(ゲート)に負の電圧V_GSを加えるとS(ソース)とD(ドレーン)が接続され、S→Dの向きに電流が流れます。

より具体的な構造は以下の図のようになっています。下図はnチャネルMOSFETというものですが、pチャネルMOSFETではnとpが反対になるだけなので、一方を抑えれば充分です。

上図の通り、p形基板表面にn形のS(ソース)とD(ドレーン)領域が形成されています。また、ゲート電極は、S-D間のp形基板表面上に薄い酸化膜の層(図の横シマ部分)を挟んで置かれています。

S(ソース)とp形基板の電位(上図の下部中央)を接地電位とし、G(ゲート)にしきい値電圧以上の正の電圧V_GSを加えると、酸化膜の層を隔てたp形基板表面近くで正孔が除去され、自由電子の薄い層を生じます。

すると、上図において2つの斜線部(SとD)の間にもnっぽい領域ができることになり、結果として、S(ソース)とD(ドレーン)が接続されることになり、電流が流れることができるようになります。

また、電圧V_GSを上昇させると、それに応じてドレーンを流れる電流I_Dも増加します。

IGBT

IGBTは、これはInsulated Gate Bipolar Transistorの略で、絶縁ゲートバイポーラトランジスタと訳されます。

これも主な役割はバイポーラトランジスタやMOSFETと同様、電流のターンオン・ターンオフ制御と電流の増幅です(トランジスタの役割がその2つなので、当たり前といえばそうなのですが…)。

IGBTの構成要素は、C(コレクタ)、E(エミッタ)、G(ゲート)の3つで、回路図では下図右側の記号で表されます。併せてバイポーラトランジスタとMOSFETも並べますので、見比べてみてください。

上図を見てもわかる通り、コレクタ、エミッタ部分はバイポーラパワートランジスタから、ゲート部分はパワーMOSFETから取っている、両者の合わせ技のような構造をしています。両者の良いとこ取りのような位置づけであり、使い勝手の良い(=適用範囲の広い)タイプのトランジスタといえます。