MOSFETのバックゲート

質問

MOSFETのバックゲート電圧を動的に制御することで
寄生ダイオードを等価的に消せるという認識は正しいのでしょうか？

具体的には
NchMOSFETで、ソース側に寄生ダイオードのアノード
ドレイン側に寄生ダイオードのカソードとなるように等価回路を描いたとき
NchMOSFETがOFF状態（ドレイン－ソース間に電流が流れていない状態）で
バックゲート電圧を制御する事により、寄生ダイオードを等価回路から消す
（NchMOSFETがOFF状態を維持したまま）
というイメージです。

上記認識が正しいのであれば
NchMOSFETがON状態で、ソースからドレイン方向に電流が流れ
NchMOSFETがOFF状態になった際に
寄生ダイオードへの逆バイアスによるリカバリー電流を
バックゲート電圧を制御する事でキャンセルできるのかが
最終的には知りたいです。

すみませんが、どなたかご教授願います。

回答No.8

bogen555

非現実的なレスが付いたようですが、縦型MOSの開発メーカーIRの資料で
http://www.irf-japan.com/technical-info/appnotes/AN-1084.pdf
「図 4 パワーMOSFET のデバイス構造（上）と寄生素子（下）」がわかりやすいです。
資料中どこを探してもバックゲートの「バ」の字も出てきません。
パワーMOSFETの歴史（開発経過）についてはこの本が詳しいです。
http://www.amazon.co.jp/dp/4621031759

「バックゲート」とゆーのは機能概念でゲートと同様に出力を制御できることから名付けられています。
パワーMOSFETでそのよーなことは現実的に不可能なんで、「縦型パワーMOSFETにはバックゲートはありません。」
もしバックゲートがあるんなら、この手の双方向Solid State Relayでは、わざわざ2個のMOSFETを逆直列にしなくても1個で間に合うはずです。
http://www.avagotech.co.jp/pages/jp/optocouplers_plastic/solid_state_relay_photo_mosfet/assr-1611-001e/

横型では「バックゲートの電圧を変化させてもダイオードそのもののvfを変化させるだけで等価的に消すなどということは不可能です。」とゆうことが誤りなのは、LTCやTIのICで実証されました。
もし質問者が設計する立場なら、「縦型パワーMOSFETにはバックゲートはありません。」とゆうことは、半導体メーカーから「バックゲート付きの縦型パワーMOSFET」の商品化がないことで実証されたものと考えたほうがよいでしょう。
回路設計と無関係で妄想することが好きなら、ボディをソースと別にして取り出せば、MOSFETの特性がどう変わるか妄想するのも面白いかも知れません。

回答No.7

xpopo

回答NO.4です。

ご質問内容と少し離れますが、NO.6の方の回答で「縦型パワーMOSFETにはバックゲートはありません。」と言い切っておられます。しかし、これは間違いなので誤解なさらないようにと思い少し説明させていただきます。

　縦型パワーMOSFETの断面構造の図を添付しました。図でソース端子がつながっている青い層はアルミまたは銅のメタル（金属）です。このメタル層にソースのｎ＋層とバックゲートのP層がオーミックな接合でつながっています。
また、図で黄色で示した部分はゲート－ソース間に正の閾値以上の電圧が加えられた時にFETがONしてる状況で発生するチャンネル（ｎチャンネル）を表してます。バックゲートの電圧VBSはFETがONする閾値に影響を与えます。VBSの平方に比例してFETの閾値は変化しますのでVBSは必ず一定の電圧に固定しておかなければなりません。ですから、「縦型パワーMOSFETにはバックゲートはありません。」ということはMOSFETの原理からは否定されます。

回答No.6

bogen555

舌足らずな回答で失礼いたしました。
こーゆー質問をするからには、MOSFETの構造を熟知しているのかと思ってました。
IC内蔵や高周波用は横型ですが、ディスクリートのパワーMOSFETは縦型です。
縦型パワーMOSFETにはバックゲートはありません。
p.1-3に構造図があります。
http://www.semicon.toshiba.co.jp/shared/doc_pdf/com_pw-mosfet_01_200903.pdf
縦型パワーMOSFETは単位面積あたりのオン抵抗を小さくするため、最近では低圧用はトレンチ・ゲート構造、中高圧用はスーパージャンクション構造が多くなっています。
縦型パワーMOSFETは放熱のためサブストレートがドレインとなっており、バックゲートはありません。

回答No.5

bogen555

昇圧コンバータは入・出力間にコイルとダイオードが入っているため、動作を停止しても入力から出力に電流が流れ、電池動作の機器では電池の過放電を起こして問題になるのはご存じだと思います。
昇圧ダイオードに同期整流のMOSFETを採用したICでは、ここのp.6 ブロック図を見ると"BULK CONTROL SIGNALS"でボディダイオードをOFFしています。
http://cds.linear.com/docs/jp/datasheet/j3529fa.pdf
こちらは、p.5 機能ブロック図で"Backgate Control"を行いボディダイオードをOFFしています。
http://www.tij.co.jp/jp/lit/ds/symlink/tps61029.pdf

IC内蔵のMOSFETではこんな事もできますが、ディスクリートのMOSFETではこんな事はできません。
IC内部の問題ですから、ICメーカーに問い合わせるか、ICメーカーのBBSで質問したらどうでしょうか？
http://e2e.ti.com/group/jp/default.aspx

お礼

返信が遅くなり申し訳ございませんでした。
ご指摘のデータシートは私も確認しておりまして
バックゲートに関してweb検索した限りでは
自分の疑問を解消する答えに辿り着かなかったため
今回のような質問をするに至りました。
このような質問サイトを利用するのは初めてだったのですが
ICメーカーのBBSで質問するという事は思い付きませんでした。
しかし、お蔭様で当初の目的は達成できました。
リンク先まで示して頂きありがとうございました。

回答No.4

xpopo

回答NO.2です。

補足です。寄生ダイオードは添付図に示すようにバックゲート（サブストレート）がP型半導体なのでドレインとソースのN型半導体に対して点線で示したようなダイオードが構成されています。
通常ソースとバックゲートは図のように短絡されてますので下側のダイオードも短絡されてますのでダイオードとしては機能しないので等価回路には表現されないということです。

お礼

返信が遅くなり申し訳ございませんでした。
てっきり、他に返信して下さる方はいないと思い
油断しておりました。
ここでの回答は、web検索した際には得られなかった
分かり易い内容で、勉強になりました。
ありがとうございました。
（先のNo.2回答の分も合わせてお礼申し上げます）
bogen555さんがNo.5で回答されている事も
（ICメーカのデータシート）
事前に検索した際に確認しておりました。
そこで、MOSFETの原理をよく理解しないまま
「等価的に寄生ダイオードを消すことも可能？」
という発想に至りました。
どちらかに固定するはできても
等価的に寄生ダイオードを消すことは不可能
という事だと認識しました。
（ディスクリートだと出来ない理由は分かりませんが）
図示までして頂きありがとうございました。

回答No.3

Tort_Capa

「バックゲート」って、「サブストレート・ゲート」のことですよね？
　それで、同期整流させるときに使うMOS形FETだからパワーMOS FETのことですよね？
　パワーMOS FETにサブストレート・ゲートってあるのかな？

回答No.2

xpopo

今晩は。

＞NchMOSFETで、ソース側に寄生ダイオードのアノード
＞ドレイン側に寄生ダイオードのカソードとなるように等価回路を描いたとき
＞NchMOSFETがOFF状態（ドレイン－ソース間に電流が流れていない状態）で
＞バックゲート電圧を制御する事により、寄生ダイオードを等価回路から消す
＞（NchMOSFETがOFF状態を維持したまま）
＞というイメージです。

　その場合はバックゲートがソースと短絡されてる状態ですのでバックゲートはソースと同電位となってしまいます。バックゲートとドレイン間、バックゲートとソース間はそれぞれバックゲートをアノードとなる接合ダイオード構造になってます。ソース側はダイオードのアノードにはなれません。ソースとバックゲートが短絡されているためにバックゲートとドレイン間のダイオードのアノード（＝バックゲート）が等価回路で表現されているだけです。また、バックゲートとソース間のダイオードは短絡されているために等価回路には表現されて無いだけです。
　バックゲートをソースと切り離すとFETがon状態ではソースからドレインに流れる電流はソースからではなくバックゲートからドレインへ流れます。したがってその場合にはバックゲートに加える電圧源は十分大きな電流を流す能力が必要になります。
　またこの２つのダイオードはバックゲートそのものがそれぞれのアノードになってますのでバックゲートの電圧を変化させてもダイオードそのもののvfを変化させるだけで等価的に消すなどということは不可能です。

回答No.1

rabbit_cat

うーん。
ドレイン－ソース間に寄生ダイオードがあるのはその通りなんだけど、
バックゲートが、そのダイオードになんらかの制御を加えるというイメージは、ちょっとピンとこないですね。
言われてみると、そういう認識の仕方も、全くありえないとまでは言い切れないのかも、とは思ったりはしないでもないのですが、少なくとも「寄生ダイオードを等価的に消せる」というまでの効果はないです。あるとして、「寄生ダイオードの特性を等価的に制御できる」くらい。ただ、それでも、それは、つまりどういうことなのか、まだ私の中で消化できていないです。

とりあえず、バックゲートの最も単純（かつ一般的）なイメージは、ＭＯＳＦＥＴというのは、もともと、絶縁膜をはさんでゲート電極とバックゲート（基板）の間で容量（コンデンサ）ができているわけですが（ＭＯＳ容量）、バックゲート電圧を変えることは、単純に、ＭＯＳ容量の基板側の電位を変えるってことです。普通に使われる意味でのバックゲート効果は、このイメージで全て簡単に説明できます。

＞NchMOSFETがON状態で、ソースからドレイン方向に電流が流れ
NchMOSFETは電流はドレインからソースに向かって流れます。（キャリアである電子は、ソースからドレインに向かいますが）

お礼

ご回答頂き感謝します。
バックゲートに関しては、一通りwebから読み取れる内容を
事前に確認していたのですが
どうも、しっくり来ないといいますか
ずばり知りたい事が記載されておらず質問しました。
やはり、私が誤認識しているのでしょうね。

＞NchMOSFETは電流はドレインからソースに向かって流れます。
同期整流型の降圧電源において
LowSideSWにNchMOSFETが使用され
HighSideSWがOFF制御時は
励起されたインダクタからの電流が
NchMOSFETのソースからドレイン方向に
流れる場合を想定した内容でした。