MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) は、半導体スイッチとして使用できる半導体デバイスです。 これらは、GPIO ピンが供給できるよりも多くの電流を消費したり、より高い電圧を必要とする負荷を制御するのに便利です。 MOSFETはオフ状態では非導電性ですが、オン状態ではミリオーム単位で測定される極めて低い抵抗値を示します。 MOSFETは直流負荷のスイッチングにのみ使用することができます。
MOSFETには、ソース、ドレイン、ゲートの3つのピンがあります。 ソースはグランド（pチャンネルMOSFETの場合はプラス電圧）、ドレインは負荷、ゲートはEspruinoのGPIOピンに接続されています。 ゲートの電圧は、ドレインから負荷に電流が流れるかどうかを決定する。（バイポーラ接合トランジスタとは異なり）ゲートには電流が流れないので、ゲートを浮かせておけば、周囲の電界や非常に小さな電流に反応してFETがオンまたはオフになる可能性があるということである。 MOSFETのゲート端子に何も接続しない状態で配線し、グランドまたはプラスの電圧をかけながらゲートに触れると、体の抵抗でもFETがON/OFFすることを実証している。
MOSFETは一方向にしか電流を流さないので、ソースとドレインの間にはもう一方向にダイオードがある（つまり、（Nチャネルデバイスの）ドレインがソースの電圧より下がると、ソースからドレインに電流が流れるということだ）。 このダイオードは「ボディダイオード」と呼ばれ、製造プロセスの結果、発生するものである。 これは、ドレインと負荷の電源の間に置かれることのあるダイオードと混同しないように、これは別のものであり、誘導性負荷を駆動する場合には含める必要があります。
特に断りのない限り、このセクションではNチャネル・エンハンスメント・モードMOSFETを使用することを想定しています。
NチャネルとPチャネルの比較
NチャネルMOSFETでは、ソースは接地、ドレインは負荷に接続され、ゲートに正の電圧がかかるとFETはオンする。 Nチャネル型MOSFETは加工がしやすく、最もよく使われているタイプである。
PチャンネルMOSFETは、ソースに正の電圧が接続されており、ゲートにかかる電圧がソース電圧より一定量（Vgs < 0）以上低くなるとFETがオンするようになっています。 つまり、PチャンネルMOSFETを使って5Vより高い電圧を切り替えようとすると、それをオン・オフするための別のトランジスタ（のようなもの）が必要になる。
MOSFETの選択
Gate-to-Source voltage (Vgs) 最も重要な仕様の1つが、FETを完全にオンさせるために必要な電圧である。 これは閾値電圧ではなく、最初にオンになり始める電圧です。 Espruinoは3.3Vしか出力できないので、最も単純な接続では、3.3Vのゲート駆動で良好なパフォーマンスを発揮する部品が必要です。 残念ながら、3.3Vのゲート駆動に対応したMOSFETは、便利なスルーホールパッケージにはあまり存在しません。 IRF3708PBFは、大型のTO-220パッケージの良い選択です。その電流処理能力は、ゲート電圧が3.3Vであっても、ほぼすべての用途に十分対応できます。 低電流には、オン・セミコンダクターの5LN01SP-ACが選択肢となります。これはTO-92パッケージで、最大100mAまで扱うことができます。
MOSFETのデータシートには、通常、さまざまなゲート電圧でのオンステート特性を示すグラフが含まれています。 ここでの重要な仕様は、通常、ドレイン電流 (Id) vs ドレイン-ソース電圧 (Vds – これは MOSFET 全体の電圧降下) のグラフで示され、異なるゲート電圧に対して複数のラインが示されます。 IRF3708PBFの例では、このグラフが図1である。 10アンペアのIdでは、3.3Vのゲート駆動で電圧降下（Vds）が0.1Vをほとんど上回っておらず、3.3V以上の電圧の線がほとんど見分けがつかないことに注目してください。
表面実装パッケージの低電圧MOSFETは非常に種類が多く、スペックも優れており、価格も非常に安いことが多い。
Continuous Current 部品は連続定格電流が負荷に対して十分であることを確認してください。多くの部品にはピーク電流と連続電流の両方があり、当然、前者が主要な仕様であることが多いのです。
Drain-Source Voltage (Vds) これは、MOSFETがスイッチングできる最大電圧です。
Maximum Gate-Source Voltage (Vgs) これはゲートに印加できる最大電圧です。 特にpチャネルMOSFETがかなり高い電圧をスイッチングする場合、他のトランジスタやFETで電圧を引き下げてオンさせる場合に関係します。
ピン配列
代表的なTO-220およびSOT-23 MOSFETのピン配置を示します。 ただし、接続する前に必ずデータシートを参照し、おかしな部品を使っていないか確認してください。
接続
Nチャンネル：
IRF3708を使用して100W負荷を切り替えるためにEspruinoを使用しています。 ゲートとソースの間に10kの抵抗があることに注意してください。 負荷は 100W の 660nm LED アレイで、22V で ~3.8A (仕様による) を引き出しています (85W に近い)-写真の外にあります (かなり明るいです)。
Espruino の表面実装プロトタイピングエリアにある 2 つの Nch MOSFET で、1 つは SOT-23（右）、もう 1 つは SOIC-8（左）です。 なお、SMDパッドとEspruinoのピンの間の配線はかなり細いので、1Aをはるかに超える電流には使用しないでください。
これは、NチャンネルMOSFETを使用してPチャンネルMOSFETをオンにすることを示しています。この構成は、5ボルト以上の電源で回路のハイサイドを切り替える必要がある場合に有用です。
回路図
これらの回路図は、Espruinoで使用されるであろうMOSFETの一般的な構成をいくつか示しています。 抵抗の正確な値は重要ではありません。高い値の抵抗でも問題なく動作します（電力使用量が特に気になる場合は望ましいかもしれません）。 下図のように、5V以上の電圧を切り替えるためにPチャンネルMOSFETを使用すると、より複雑な回路になります。 ソースが接地されているため、ソースが正電圧であるPチャンネルMOSFETのようにゲートがスイッチングされる電圧まで上昇する必要がないのです。
MOSFET vs リレー
- MOSFET は基本的に電力を消費しませんが、リレーはオンにするとかなりの量の電力を消費します。
- MOSFETはPWMで駆動できる。 リレーは無理。
- MOSFET は共有グラウンド（または p チャネルの電源）を必要とするが、リレーは駆動する回路を完全に分離する。
- MOSFET は DC 負荷のみを切り替えることができるが、リレーは分離されているので AC も切り替えることができる。
MOSFET vs バイポーラ接合型トランジスタ
- MOSFET は電流ではなく電圧で制御されます。 ゲート電流は無視できますが、BJTには無視できないベース電流があります。
- MOSFET は、オン状態での電圧降下が低いことがよくあります。
- MOSFET はゲートが浮くようにされると自動的にオンになり、BJT は電流を流す必要があるので、オンにはなりません。
Enhancement vs Depletion mode
MOSFET の大半はいわゆるエンハンスメント・モードのデバイスで、上記の記述もエンハンスメント・モードの MOSFET を使用することを前提にしています。 繰り返しになりますが、エンハンスメント・モードMOSFETでは、ゲートがソースと同じ電圧（Vgs=0）のとき、MOSFETは導通しません。
ディプレッションモードのMOSFETでは、Vgs=0のとき、MOSFETはオンであり、導通を止めるためにはゲートに電圧をかける必要がある。 この電圧は、エンハンスメント・モード MOSFET の場合とは逆で、N チャネル エンハンスメント・モード MOSFET の場合、オフにするには負の電圧を印加する必要があります。