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2012年7月19日 (木)

パワーMOS-FETの寄生ダイオードと寄生トランジスタ

パワーMOS-FETの寄生ダイオードと寄生トランジスタとは
 パワーMOS-FETと聞くと、大きなチップののっている大きなトランジスタだということが想像つきますが、ゲート・ドレイン・ソースのサイズがでかいチップのトランジスタではなく、小さな MOS-FETが何百個も並列につながって、大きな電流を流せるようにした構造なのです。そうしないと大きな構造にするとソース・ドレインの距離が増えて、ONしたときの抵抗も大きくなってしまうからです。
ハード的にはFetdiode 右の図は、そのトランジスター1個分の構造図ですが、ドレインを下のベースにして上側に出来るソースを左右方向のアルミ配線で接続し、ゲートを前後方向のアルミ線でパラレルに接続してゆきます。ですから、TO-220 などの金属放熱板むき出しの MOS-FETの金属板がドレインであることが放熱的にもチップの乗っている構成上重要になっています。
 右の図でドレイン側にある濃い青色の領域はドレインに+電圧をかけた時に生じる逆電圧による電子の無い空乏層で、ゲートに正の電圧をかけることによってゲート直下に電子が集まって生じる電子の領域(緑色のNの部分)がドレインのN領域まで伸びることによってソースとドレインに電流が流れることになります。この逆電圧がかかっている部分が PとNなので、実質的にはダイオードが逆バイアスされている状態と同じことになります。それで、図の中央のように、寄生ダイオードとして存在することがわかります。
 さらにゲートの電圧が切られ、トランジスターがOFFになったときには、電子領域が少なくなり、P-N逆接続だけでなくソースのN領域が重要になり今度はソースから見ると、 N-P-Nのトランジスタが存在するように見えます。(図のいちばん下)ベースはソースとの間の残った電子の領域によってソース電位に抵抗が落ちているような状態になりますが、逆にドレインとの間の空乏層がコンデンサーとしての働きをして、OFFになってドレイン電圧が上昇するにつれてゲートの電圧を上昇させ、電流を流す働きをします。この動作が「アバランシェ降伏」といってゲート電圧がなくなったタイミングなのに急激に電流が流れてしまって、寄生トランジスタ部分が破壊されてしまいます。
 それに比べて、寄生ダイオードは逆電圧がかかった状態なので通常は問題無いように思われますが、負荷がコイルのように誘導性の場合、逆起電力がドレインにかかる場合があります。これはインバーターとか、スイッチング電源とかでトランスやコイルの負荷の場合重要で、仮に逆の電流に持ちこたえて壊れないレベルだったとしても、こんどは正常にONさせる時にこのダイオードに溜まった電荷を中和し、空乏層を作って動作するまで時間がかかり、結果 ONする速度が落ちてしまう原因になります。
ソフト的には
 このように寄生ダイオード、寄生トランジスターの存在をよく覚えておいて、必要なショットキーバリアダイオードを追加したり、アバランシェ降伏に絶えうる電流・電圧範囲を確認したりすることで、トラブルは避けられます。そもそも IC などは、みんな寄生ダイオードの上にトランジスタや抵抗が作られているのですから、電源電圧がかかっていない時に、入力端子に電圧をかけたりすることは御法度です。ICをただのディスクリート素子の集まりだと思ってしまうと、「入力抵抗があるはずなのに何で壊れるの?」「MOS なのに何で入力端子に電流流れちゃうの?」とわけが解らなくなってしまうでしょう。


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