【電子回路】MOSFETの構造と動作原理

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工学

 MOSFETの構造と動作原理について解説していきます.MOSFETの基礎と動作の理解に役立ててください.

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MOSFETの構造

図 MOSFETの構造

 MOSFETはPチャネルMOSFET (pMOS)とNチャネルMOSFET (nMOS)の二つがあり,上図のような構造をしています.以下ではnMOSを例にMOSFETの動作を説明しています (pMOSはnMOSの反対の動作をします).

MOSFETの動作原理

 MOSFETはゲートとドレインにかける電圧によって動作が変化します.MOSFETではゲート電圧とドレイン電圧によって,サブスレッショルド領域 (別名:遮断領域,カットオフ領域,非反転領域)と線形領域飽和領域があります.下図にそれぞれを示します.

図 MOSFETの動作原理 (nMOS)

 サブスレッショルド領域では,ゲート電圧 \(V_{GS}\)がしきち値電圧 \(V_{TH}\)より低い領域です.このときMIS構造で説明したように,ゲート下はp層で,ソース-ドレイン間がn-p-n層となっています.そのため導通しておらず,電流も流れません.

 ゲート電圧 \(V_{GS}\)がしきい値 \(V_{TH}\)より大きいとき,ゲート下は反転してn層になります.そうなるとソース-ドレイン間がn-n-n層となって導通するため,電流が流れます.線形領域では,ドレイン電圧\(V_{DS}\)を大きくするほど,流れる電流も大きくなります.

 しかしドレイン電流を上げるほど,いくらでも流れる電流が大きくなるわけではありません.ドレイン電圧 \(V_{DS}\)によって,ドレイン近くであるほど正の電圧がかかり,反転層が薄くなります.ドレイン電圧 \(V_{DS}\)がオーバードライブ電圧 (\(V_{GS}+V_{TH}\))より大きくなると,ドレイン近くで反転層がなくなり,ピンチオフ点が現れます.こうなるとドレイン電圧を上げても,流れる電流があまり増えなくなります.このときの領域が飽和領域です.

 まとめると,サブスレッショルド領域では電流が流れず,線形領域と飽和領域では電流が流れます.これを利用してスイッチや増幅器として利用します.

ゲート電圧-ドレイン電流 (MOSFET)

図 ゲート電圧-ドレイン電流 (nMOS)

 上図はゲート電圧\(V_{GS}\)を変化させたときにドレイン電流がどう変化するかを示しています.ゲート電圧\(V_{GS}\)がしきい値電圧\(V_{TH}\)を超えるとドレイン電流が流れます.

 サブスレッショルド領域では基本的に電流は流れませんが,わずかに流れています.これはリーク電流といって,消費電力を上げてしまう一つの原因となります.

ドレイン電流-ドレイン電圧 (MOSFET)

図 ドレイン電流-ドレイン電圧
  • \(\mu_n\):移動度
  • \(C_{ox}\):ゲート容量
  • \(W\):ゲート幅
  • \(L\):ゲート長
  • \(V_{TH}\):しきい値電圧
  • \(V_{GS}\):ゲート電圧
  • \(V_{DS}\):ドレイン電圧

 上図はドレイン電圧\(V_{DS}\)を変化した際に,どれだけドレイン電流\(I_D\)が流れるかを示しています (ドレイン電流-ドレイン電圧).また,線形領域と飽和領域 (チャネル長変調効果なし)で流れるドレイン電流\(I_D\)の式を示しています (チャネル長変調効果はMOSFETの基礎④【チャネル長変調効果】で解説します).

 ドレイン電流の導出とpMOSの波形はMOSFETの基礎③【ドレイン電流の導出】でしています.また式の一部分をまとめて,以下のように示すこともあります.

  • オーバードライブ電圧:\(V_{ov}=V_{GS}-V_{TH}\)
  • 利得係数:\(\beta=\frac{W}{L}\mu_nC_{ox}\)

 MOSFETの動作原理とゲート電圧-ドレイン電流,ドレイン電流-ドレイン電圧を示しました.それぞれが混同してしまうかもしれませんが,しっかりと対応しているので,じっくり考えてみて下さい.

まとめ

  • サブスレッショルド領域:ドレイン電流が流れない領域
  • 線形領域:ドレイン電流が流れる領域
  • 飽和領域:ドレイン電流が流れる領域 (電流値が飽和)

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