MOSFETとバイポーラトランジスタの違いは何ですか？

MOSFETとバイポーラトランジスタの基本的な機能はさほど変わらないと思うのですが、回路図でバイポーラトランジスタを使っている部分をMOSFETにするとどんな不都合が生じるのでしょうか？両者の使用上の違いはどこにあるのでしょう？

No.4 ベストアンサー 回答者： candle2007 回答日時： 2008/01/31 23:41

はい。

ガンばって読破してください。
（・・・というほどのことでもないか。(^_^;)）

ご質問以外のこともだいぶ書きこんだような気がします。
ここまで理解して欲しい、という気持ちからですが、プラスアルファは「本旨に十分お答えしてからのこと」です。
もし、書き込みがご質問に100%答えてないようでしたら、遠慮なく補足欄から質問してください。

前回のダイオードの件ですが、Trにかかる電圧のこと（加算・減算？）は、完全にわたしのミス（思い違い）でした。
お二方のご回答が正しいです。

しかし、逆起電力による電流量のほうは未だに納得できません。
逆起電力はインダクタに貯まったエネルギーの放出です。
これを求める　E=L・dI/dt　という立派な式があります。
これだけの起電力があり、負荷に低抵抗をつないだとき大電流が流れないなら、オームの法則が成り立たないではないですか？
（起電力と外部に現れる電圧が異なる理由は、前回アルカリ電池の例を引用して説明しました。このとき起きる電圧降下は”大電流の放電”によるものです）

それとも、短絡したときには、この式は成り立たないのでしょうか？
であれば、この式はどういうときに出番があるのでしょうか？

わたしも未熟ですので、わからないことが結構あります。
このサイトで優れたご回答を数多くなさるお二方のおっしゃることですから、未熟なわたしから間違っていると断定することもできません。

1μs程度の過渡現象を記録する計器を持っていますので、電流プローブを製作して、近いうち実測してみたいと思っています。

この回答への補足

私は研究者ではなく技術者で理論的、数学的に電圧や電流を求めるというようなことは仕事でしておりませんので全然分かりませんが、あなたのように分からないことをそのままにせずに分かりたい分かろうとするという姿勢は非常に素晴らしく尊敬しております。現に私も常にそのような姿勢で何事に対しても臨むよう努力しております。残念ながら私の力では大電流が一気に流れるのか、それとも徐々に流れてゼロになるのかは物理学的にも数学的にも分かりません。専門的に電子回路を学んだことがないのでE=L・dI/dtというのも初めて聞きました。1μsの過渡現象を記録する計器をお持ちだということですので、是非実験して結果を教えて下さい。それで電流がゆっくり流れてゼロになるということでしたら彼らのおっしゃっていた理論が正しいということなのでしょう。私はそこまで詳しい知識は必要ないのですが、できれば是非知りたいと思います。しばらくの間、このスレは締めませんので後ほどお教えください。

補足日時：2008/02/01 20:09

No.3 回答者： candle2007 回答日時： 2008/01/28 22:28

>電流増幅の意味は分かりますが、電圧増幅の意味が分かりません・・・MOSFETの場合だと、ゲート→ソースに電流が流れるとドレイン→ソースへ大電流が流れると思っていたのですが・・・

バイポーラトランジスタは、ベースに電流が流れると、そのhFE倍の電流がコレクタに流れます。
コレクタ電流を変えるためには、ベース電流を変化させてやる必要があります。
つまり、「ベース”電流”変化→コレクタ”電流”変化」となるので、電流増幅型と呼ばれます。
　注１　このとき、ベース電圧も変化するが、微小であるので、あまり注目しない。
　注２　コレクタ電流は負荷抵抗を流れることで、最終的には電圧として利用される場合が多いのであるが、この点はFETも同じであるので、あまり注目しない。

これに対してMOSFETは、ゲートに電圧がかかっても、ほとんど電流が流れません。
（実際には極めて微小の電流が流れるが、設計上は無視される）
MOSFETは、”電圧を変化”させることで、ドレン電流を変化させます。つまり、
「ベース”電圧”変化→ドレン”電流”変化」、となるわけです。
したがって「電圧増幅型」と呼ばれます。
（重要な他の条件を端折って言った表現で、わたしはあまり感心しませんが・・・）

トランジスタのバイアス設計です。
「電流帰還バイアス」のところを見てください。
http://www.aizu-it.net/jikken/tr/bias/tr_bias1.h …

この回路は、コレクタに1mAの電流を流すためにベースに1.6Vのバイアスをかけています。
ベース電流がはっきり出ていませんが、仮にhFE=100とすれば、0.01mA　流れているでしょう。
（hFE=100は一般のトランジスタで普通の値です）
この条件でコレクタ電圧は5.5Vになるように負荷抵抗を選んでいます。
（電源電圧のほぼ1/2）

では上のほうのグラフ：VCE-Ic特性を見てください。
上記の条件（コレクタ電流1mA、ベース電流0.01mA、コレクタ電圧5.5V）は、図の[a0]点に相当します。（[a0]点を”動作点”といいます←A級増幅の場合）
a0から水平に「コレクタ電流」軸と交わるところが[1mA]で、垂直に降ろしたところが[5.5V]、Ib4とあるのが[0.01mA]に相当します。
また、交流負荷線が横軸と交わるところが電源電圧12Vです。
（厳密には、電源電圧の解釈に交流負荷線を持ってくるのは間違いなのですが、説明の便宜上ここではこうしておきます）

大切なことは、ここで「ベース電流を変化させたらどうなるか？」ということです。
ベース電流が増加すると、コレクタ電流はこの負荷線を辿って左上に上がって行き、特性曲線がカーブしているところで頭打ちとなります。
（これ以上では出力が歪む。したがってベース電流はこれ以上にならないように設計しなければならない）
次のサイクルでベース電流が減少していくと、負荷線を辿ってコレクタ電流は減少し、ついには0mA(このときコレクタ電圧最大)になります。
この図でははっきりしませんが、ベース電流が極端に低いところでは、直線性がないので、ここでもやっぱり歪が起きますので、ベース電流を0にすることはできません。

トランジスタの増幅作用が大体おわかりいただけたでしょうか？
コレクタ電圧を電源電圧のほぼ1/2にとることで、出力が最大にとれることもおわかりいただけるでしょうか？

次にFETの増幅作用ですが、下記URLを見てください。
MOSFET 2SK3125のデータシートです。
http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ …

３ページ右上の「ドレイン・ソース間電圧」を見てください。
これはトランジスタの「コレクタ・エミッタ間電圧」と同じものですが、パラメータが「電圧」になっている点が違います。
ドライブ”電圧”を変えることで、ドレイン電流を変化させます。
いろんな特性のFETがありますので一口にはいえませんが、一般に3-5Vくらいの電圧でドライブすることが多いです。

「電流は流れない」と申し上げましたが、そうでもない場合がありますので補足しておきます。
このデータシートの２ページ「電気的特性」の「入力容量」のところを見てください。
何と、4,600pFもあります。
もし、10kHzの信号なら3.5kΩ、100kHzの信号なら350Ωになってしまいます。
どんどん電流は流れます。
「MOSFETの入力インピーダンスが高い」というのは大ウソです。
インピーダンスが高いのは、低周波域だけ、ということをしっかり覚えておいてください。

最初の出題の「置き換えたらどうなるか？」ということですが、おそらくバイアス電圧の設計条件がまったく違うでしょう。
ただ、トランジスタの場合は、いろんなバイアス電圧設定がありますので、偶然FETの動作範囲と合致する場合がないとも言い切れません。
その場合はFETをそこにもってきてもよい場合があるかもしれません。

逆にFETで設計されている回路に、トランジスタを持ってきた場合は（FETのバイアスは電流を流すことは考えていないので）多分ダメでしょう。

FETの動作を説明する適当な資料が見つからなかったので、トランジスタの動作説明に重点を置いた説明になってしまったことをお詫びします。
なお、質問があれば遠慮なく補足から質問してください。

参考URL：http://www.aizu-it.net/jikken/tr/bias/tr_bias1.h …

この回答への補足

難しい部分は分からなかったのですが、バイポーラとMOSFETの違いについては理解できました。ところで、もう一つMOSFETで伺いたいことがあるので教えて下さい。http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/70 …のDownloadのすぐ右をクリックするとこの部品のデータシートが見れます。いろんなサンプル回路がありますが、一番最後のページの回路だったとします。これに類似した回路で12pinと13pinがショートしていたらM1が焼損しました。詳しく分からないのですが、このスイッチングレギュレーターは積分回路でM1とM2がそれぞれON、OFFを交互に繰り返すんだと理解しています。それで、12と13がショートしているとM1は常にONっぱなし、M2はON、OFFを繰り返す。こういう状況下でしばらく電源を入れていたら煙が出てきてM1が焼損しましたがそれはなぜなのでしょうか？またこの場合他にどのICにダメージがいきますか？

補足日時：2008/02/01 20:38

この回答へのお礼

こちらでもご回答いただきまして誠にありがとうございます。週末時間のあるときに読ませていただきますので少々お待ちください。

お礼日時：2008/01/29 21:37

No.2 回答者： shintaro-2 回答日時： 2008/01/27 20:49

バイポーラは、電流増幅型で

FETは、電圧増幅型です。

ですので、そもそもバイアスが異なります。
また、通常FETの方がオン抵抗が大きいため、大電流を必要とするためには、パワーMOSというものを選択する必要があります。

逆に、FETをバイポーラに置き換えた場合は、入力インピーダンスが低くなるので使えません。

どっちにしろ、そのまま置き換えるというのは無理があります。

この回答への補足

電流増幅の意味は分かりますが、電圧増幅の意味が分かりません。というかイメージが湧きません。バイポーラはエミッタ接地の場合で考えると、ベース→エミッタへ電流が流れるとコレクタ→エミッタへ大電流が流れるということですよね。MOSFETの場合だと、ゲート→ソースに電流が流れるとドレイン→ソースへ大電流が流れると思っていたのですが違うみたいですね。

補足日時：2008/01/28 19:24

No.1 回答者： hihiki 回答日時： 2008/01/27 20:45

自分もまだ勉強中のため参考意見ということで。

まずは立ち下がり時間について。
バイポーラトランジスタには「少数キャリアの蓄積効果」
というものがあるんですが，MOSFETではありません。
だから，立ち下がり時間が変わってきます。
また，昔FETは高速化できなかったので，バイポーラを使うことが多かったようですが，
最近は高速化できるようになり，どんどん開発が進んでいます。
また，NMOSFETとPMOSFETをくっつけた（ような）ものをCMOSといいますが，このCMOSが非常に優れもので，消費電力を抑えることができるので重宝されています。