FETの異なるタイプは何ですか？

フィールド効果トランジスタ（FET）は、今日のデジタルロジックの主力ですが、デジタル集積回路以外にも多くの用途があります。モータードライバーから電圧レギュレーター、特殊なアンプまで、さまざまなタイプのFETを使用することができます。また、FETがバイポーラ接合トランジスタ（BJT）の従兄弟と比較してより望ましいいくつかの有用な利点があります。

高度なコンポーネントやアプリケーションは、FETアーキテクチャを根本的に変更して最適化することに継続的に焦点を当てていますが、離散的なBJTとFETはここにとどまります。さまざまなタイプのFETは、異なるシステムでそれぞれの場所を持ち、設計者は最適なサプライチェーンツールを使用して必要なFETを見つけることができます。どのタイプのFETを使用すべきかわからない場合は、さまざまなFETと最も重要な仕様についてもっと学ぶために私たちのガイドを読んでください。

FETのタイプとその用途

フィールド効果トランジスタ、または単にFETは、現代のデジタル集積回路の基礎を形成しています。以前のBJTと同様に、FETは3端子スイッチです（MOSFETのボディ端子を含めると4つ）。ゲートに電圧が適用されると、ソースとドレインの間の電流を制御します。ゲート領域に電圧が適用されると、チャネル抵抗は入力電圧の関数として状態を切り替えます。これらは、さまざまなタイプのFETの非常に基本です。

FETは、絶縁ゲートFET（MOSFETとしてよりよく知られている）、接合FET（JFET）、および金属-半導体FET（MESFET）の3つの異なるタイプに細分されます。以下のフローチャートは、これら3つのタイプのFETとそのサブタイプを簡単に要約しています。さまざまなタイプのMOSFETの中で、強化型または空乏型FETの選択は、設計者がシステム（例えば、電力レギュレーター）でスイッチングをどのように実装するかについての柔軟性を提供します。

選択できるFETのタイプが多数ある中で、どれが最適で、BJTと比較してどのように積み重なるのでしょうか？さまざまなアプリケーションでどのタイプのFETが重要かをもう少し深く掘り下げてみましょう。

MESFETの用途

MESFETは、高出力が必要なRFアプリケーションでドライバーやスイッチとしてよく使用されます。商用MESFETコンポーネントは、SO/SOIC/SOPパッケージの範囲で利用可能で、帯域幅は約8 GHzに達し、QFNパッケージでは約30 GHzの高周波数にアクセスできます。高周波数のMESFETは通常、SiGe（低中程度の出力）またはGaAs（高出力用）から作られており、これらの構造は高周波SoCに統合されています。

MOSFETの用途

FETのさまざまなタイプの中で、MOSFETはおそらく最も広範な実用的応用を楽しんでいます。これらのコンポーネントは、kWレベルに達するスイッチングパワーを扱うことができるため、多くの電力エレクトロニクスの応用でその場を見つけます。そしてもちろん、現代のCMOSロジック回路に精通している人なら、MOSFETがCMOSデバイスの基礎を形成していることを知っているはずです。

スイッチングアプリケーション用に個別のMOSFETを選択する必要がある場合、デバイスのスイッチング方法は非常に重要です。ゲート領域に適用される正しい電圧の極性を選択する必要があります。エンハンスメントタイプのNMOSは、高電圧/電流での電力調整やコンディショニングのようなアプリケーションでスイッチング要素としてよく使用されます。これは、ボードの周りに正の電圧を供給するだけで済むため、グラウンディングとレイアウトが容易になると私は感じています。

JFETの応用

JFETもnチャネルとpチャネルのバリエーションがあり、nチャネルが通常、電子の移動度がホールよりも高いために使用されます。JFETには、ドレイン-ソース電圧が十分に高い場合（pnダイオードのブレークダウンに類似）にブレークダウン領域があります。MOSFETと比較して、JFETには以下の特徴があります：

• デプレッションモードのみ

• 低周波数ドリフト

• 低入力インピーダンス

• 高いドレイン抵抗がフラットな転送曲線を提供

• 高い入力容量

低周波数ドリフトは、オシレーターや精密タイミング回路でより望ましいものにします。高い入力容量は、スイッチとして使用される場合にわずかに長いオン時間をもたらします。オシレーターとしては有用かもしれませんが、アンプとして使用される場合、MOSFETと比較して比較的低い利得帯域幅積を持ち、MESFETと比較してはるかに低いです。

HEMTの応用

高電子移動度トランジスタ（HEMT）は、FETで使用される材料に近いものを指しますが、完全に異なる構造や回路のタイプを指すわけではありません。HEMTは、高周波で電力を供給する必要があるRFデバイスや、高速エッジレートでスイッチするデバイスで使用されることがあります。これらのデバイスで一般的に使用される材料はGaAsとGaNで、どちらも市販のコンポーネントで使用されています。これらのデバイスは、mmWave範囲に達する周波数で高い電力出力を提供するように設計されています。他のIII-V材料であるInPもHEMTでの使用について研究されています。しかし、これらの材料はまだ標準的なコンポーネントプロセスで大規模に生産可能ではありません。

HEMTの応用がMESFETと重なるため、これらの材料の違いは何かと尋ねるのは公平です。違いはトランジスタのエピタキシャル層に現れます。HEMTは、デバイスのバルク材料よりも高い電子移動度を持つ異なる組成の積層材料を使用するヘテロ構造デバイスです。GaAs HEMTでは、エピタキシャル層で一般的に使用される材料は非定量比のAlGaAsです。これらの同じ構造や材料はMESFETには見られません。

GaN HEMTでは、エピタキシャル層がAlGaNである非定量比層を用いた類似のアプローチが使用されます。SiC基板上のHEMT構造の例を以下に示します。この構造では、AlGaN層はドープされた多層構造であり、導電チャネルはこのデバイスの部分に形成されます。

導電チャネル内の電子の高い移動性は、高GHz周波数でより効率的な電力供給を提供します。これらのシステムは、mmWave帯域で動作するスケールドSi MOSFETと比較して、より高い電力処理能力、より高い周波数、そして特にSiCを用いることでより大きな熱放散を提供します。これらの理由から、GaN HEMTはパワーエレクトロニクスでも、Si MOSFETの高熱伝導性の代替品として使用されています。

FETの重要な仕様

データシートに記載されているすべての仕様をリストアップしたいところですが、すべての仕様がすべてのアプリケーションに関連するわけではありません。ほとんどのアプリケーションで普遍的ないくつかの仕様があります：

• オン状態抵抗：これは、電力供給とスイッチングの効率を決定する最も重要な仕様の一つです。

• リーク電流：オフ状態でも、ソースとドレインの間にはわずかな電流が流れ、オフ状態でのいくらかの電力損失につながります。

• 端子容量：これらの容量値はデバイスのスイッチング時間を制限します。これは、高周波アナログ製品を設計している場合に通常重要です。

• 絶対最大温度：FETは、チャネル温度が最大定格値に達すると故障します。ここには通常、小さな安全係数がありますが、これらのコンポーネントは、展開される環境を考慮して選択する必要があります。

• 電圧/電流定格：この値のペアは、特定の駆動方法（DC、パルス、または調和）に対して指定され、FETの安全動作領域を決定します。これらの仕様を特定のFETで超えると、デバイスは故障し、故障する可能性があります。

最後の点は、FETの安全動作領域に関連しています。すべてのFETには、FETが故障することなく操作できるソースからドレインへの電圧（V(DS)）とドレイン電流（I(D)）の組み合わせがあります。これらの電圧、電流、および駆動方法の組み合わせは、MOSFETの安全動作領域を形成し、グラフ上で描き出すことができます。

ON SemiconductorからのMOSFET（FDD7N25LZTM）の安全動作領域の例を以下に示します。このグラフでは、DC駆動が異なる条件（この場合は、パルス駆動）でAC駆動と比較されています。DC駆動の場合、安全動作領域の境界は原点に近くなりますが、パルス持続時間が短い場合は安全動作領域が拡大します。これは、同じパルス繰り返し周波数を仮定すると、平均電流が低くなるためです。

FETの安全動作領域を決定する主要な要因は合計で3つあります：

• ジャンクションの定常温度

• ON状態の抵抗

• 駆動方法（DC、ACなど）

一般に、DCドライバーの平均電流に一致するAC駆動は、同様の安全動作領域を持ちます。AC駆動の平均電流が減少すると、安全動作領域は拡大します。これは、電力供給アプリケーションで使用するMOSFETを選択するための簡単な基準として使用できます：AC駆動下の平均電流と同様の動作パラメーター（V(DS)およびI(D)）下のDC駆動電流を比較して、MOSFETがAC駆動下で信頼性があるかどうかを判断します。

もう一つの対処が難しい要因は、MOSFETの温度、特にジャンクション温度です。ジャンクション温度が大きすぎると、MOSFETは故障のリスクがあります。安全動作領域との正確な比較のためには、ON状態での電力損失を決定し、コンポーネントの熱抵抗を使用して平衡温度を予測する必要があります。一般に、ジャンクション温度が高いほど、安全動作領域は小さくなります。

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