MOSFETの基礎⑤【しきい値電圧,基板バイアス効果】

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工学

MOSFETの基礎⑤ではMOSFETのしきい値電圧と基板バイアス効果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のしきい値電圧

MOSFETのしきい値電圧は以下のようになります.式からわかるように,しきい値電圧はゲート酸化膜容量や不純物濃度にも依存します.

図 MOSFET

MOSFETのしきい値電圧 (基板バイアス効果なし)

$$V_{TH}=V_{FB}+2\phi_F+\frac{1}{C_{ox}}\sqrt{2\epsilon qN_A(2\phi_F)}$$

  • \(V_{FB}\):フラット電圧
  • \(\phi_F\):反転状態時の表面ポテンシャル
  • \(C_{ox}\):ゲート酸化膜容量
  • \(\epsilon\):誘電率
  • \(q\):素電荷
  • \(N_A\):アクセプター密度

基板バイアス効果

上記の式では基板バイアス電圧 \(V_{BS}\)はしきい値電圧に関係していませんが,実際は基板バイアスがしきい値電圧に影響します.これを基板バイアス効果といい,このときのしきい値電圧は以下のようになります.

MOSFETのしきい値電圧 (基板バイアス効果あり)

$$V_{TH}=V_{FB}+2\phi_F+\frac{1}{C_{ox}}\sqrt{2\epsilon qN_A(2\phi_F+|V_{BS}|)}$$

\(V_{BS}\):基板バイアス電圧

エンハンスメント型とディプレッション型

MOSFETはしきい値電圧が0以下と以上でエンハンスメント型とディプレッション型にわけることができます.

図 エンハンスメント型とディプレッション型

まとめ

MOSFETのしきい値電圧 (基板バイアス効果なし)

  \(V_{TH}=V_{FB}+2\phi_F+\frac{1}{C_{ox}}\sqrt{2\epsilon qN_A(2\phi_F)}\)

MOSFETのしきい値電圧 (基板バイアス効果あり)

  \(V_{TH}=V_{FB}+2\phi_F+\frac{1}{C_{ox}}\sqrt{2\epsilon qN_A(2\phi_F+|V_{BS}|)}\)

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