MOSFETの基礎②【構造と動作原理】

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工学

MOSFETの基礎②では構造と動作原理について解説していきます.MOSFETの基礎と動作を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

図 MOSFETの動作原理 (nMOS)

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.サブスレッショルド領域 (遮断領域,カットオフ領域,非反転領域ともいう)では電流が流れず,線形領域と飽和領域では電流が流れるため,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

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,わずかに流れており,これを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

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\(I_D\)が流れるかと,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:\(\beta=\frac{W}{L}\mu_nC_{ox}\)

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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