pMOS｜pチャネルMOSFETでアナログや電源制御を最適化

pMOS

pMOSとは、MOSFETの一種であり、pチャネルによって電流を制御する半導体素子である。ソースやドレインがp型半導体で構成され、ゲートへの電圧制御を通じて電流のオン・オフを切り替える仕組みを持つ。電子ではなく正孔が主なキャリアとなる点がnMOSとは異なり、集積回路やアナログ回路において電源電圧や電力効率の最適化を図るうえで有用とされている。構造がシンプルでありながら高い耐圧や低消費電力を実現しやすいことが特長として挙げられ、多岐にわたる回路設計で活用されている。

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pMOS

概要

半導体集積回路に欠かせないMOSFETのなかでも、pMOSはpチャネルを用いて動作するタイプである。トランジスタを構成するソース・ドレインがp型半導体で形成され、ゲート絶縁膜を介して電圧を加えることでキャリアとしての正孔の移動を制御する。電源電圧をマイナス方向に設定する設計が多い点でnMOSとは使い勝手が異なるが、低いオン抵抗や制御性の良さを生かして電力変換やスイッチング用途に応用されてきた経緯がある。

でも１回目の授業で「CMOSという素子があるわけではなく，PMOSとNMOSの組み合わせのことをCMOSと呼ぶの。それとモス(MOS)て，金属酸化物半導体という意味の言葉なんだけど，それあまり意味はないんだよね」とは言ってた気がする。

— 井田隆 (@Ida_Takashi) October 12, 2020

基本構造

pMOSの基本構造は、シリコン基板内にソースとドレインのp型領域を形成し、その間に絶縁膜を挟んでゲート電極を配置するというものである。基板にはn型が用いられるケースが一般的とされ、ゲート絶縁膜の材質にはSiO₂などの高品質な酸化膜が用いられる。ソース・ドレイン領域と基板の間に生じる接合をうまく制御することで、動作時のリーク電流を抑えつつ高速応答と低い消費電力を両立できる設計が行われている。最近は高誘電率材料を導入したゲート絶縁膜も登場し、さらに性能を高める試みが進んでいる。

動作原理

pMOSはゲートに負電圧を印加したときにチャネルが形成され、ソースからドレインへ正孔が移動することで電流が流れる。具体的には、ゲート電極とソース・ドレイン領域との電位差によってn型基板内に空乏層が形成され、それが十分に拡大するとpチャネルが出現する仕組みである。ゲート電圧をゼロまたは正方向にするとチャネルが消失し、電流は流れなくなる。nMOSとは逆の極性を用いる点で回路設計に工夫が必要とされるが、高電圧側のスイッチとして利用したり、コンプリメンタリ回路（CMOS）のp側トランジスタとして重要な役割を担っている。

特性

pMOSは負の電源電圧で動作する構成が多いため、オン時の電流量やオフ時のリーク電流がnMOSに比べてやや小さい傾向があるといわれている。しかしこの特性は駆動能力や回路構成によって大きく変化し、ゲート幅を広げてオン抵抗を下げる設計も行われている。また、正孔は電子に比べて移動度が低いため、高速スイッチング性能を求める分野ではnMOSが採用されやすい側面がある。一方で電源制御回路やアナログ増幅部などでは、pMOSの低ノイズ特性やスイッチング時の特性を生かせるメリットがある。

今日はPMOSのスイッチングを測っていた。といっても性的な特性。
ONからOFFへの遷移電圧は、データシートのVthの数値とほぼ同じになった。 pic.twitter.com/ayVoBjrwcx

— picoGalois＠電子クラブ (@DenshiClub) November 2, 2019

用途例

集積回路の世界では、nMOSとpMOSをペアで使うCMOS構造が電力効率に優れているとされている。また、電源ラインを制御するパワースイッチやリニアレギュレータなどでも、pチャネル特性を生かしてレイアウトを簡素化できる利点が挙げられる。特にアナログ回路や低電圧制御回路では、ノイズ特性やグラウンドリファレンスを活用しやすいことから重用されている例が多い。電源のオン・オフを切り替える負電圧スイッチングにも適しており、高信頼性が求められる産業用や車載用の分野でも積極的に導入されている。

PMOS はこういう用途にいいね https://t.co/TP2qQOjrrm

— ミタ式アンプ (@mtyk1t) December 19, 2021

設計上の注意点

回路設計でpMOSを取り入れる際には、ゲート電圧とソース電圧との電位差管理が重要とされている。pチャネルではゲートをソースより十分に低い電位へ引き下げる必要があるため、電源回路やレベルシフト回路との連携を慎重に検討する必要がある。適切なバイアス条件が設定できないと、オン抵抗の低減や高速スイッチング性能が確保できず、最適な動作を引き出せない可能性が生じる。また、熱設計や過電流対策など、パワー系MOSFETならではの課題への対応も欠かせない部分であり、安全マージンをどの程度盛り込むかが信頼性確保の鍵となっている。

他のトランジスタとの比較

バイポーラトランジスタと比べると、pMOSはゲート電圧を介した電界効果で電流を制御するため、ベース電流が不要で駆動損失が小さいという利点がある。一方でバイポーラ型に見られる高い電流増幅率は期待できない場合も多く、大電流や高周波領域では最適とは限らない。nMOSとの比較においては、正孔の移動度が低い影響から駆動力やスイッチングスピードで不利な場合があるが、逆に高電圧側の制御を行いやすく、コンプリメンタリ回路設計では欠かせない存在となっている。こうした特徴を総合的に判断しつつ、回路目的に応じて素子を選ぶアプローチが一般化している。