【半導体工学】MOSトランジスタとは

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工学

MOSトランジスタ (MOSFET: Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor)はMOS構造を用いたトランジスタです.本記事ではMOSトランジスタについて紹介します.

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ドランジスタとは

まずトランジスタは図1のように3端子を持つ半導体素子です.スイッチ増幅器として利用できます.

図1 トランジスタとは

MOSトランジスタ (MOSFET)とは

MOSトランジスタ (MOSFET)MOS構造を利用したトランジスタです.MOS構造は金属-酸化膜-半導体を接触させた構造で,酸化膜 (O)は絶縁体 (I)であるためMOS構造はMIS構造の一種です.

MOSFETの動作原理

図2 MOSトランジスタ (MOSFET)

MOSFETの動作原理について説明していきます.MOSFETは本来G (ゲート),S (ソース),D (ドレイン),B (ボディー)の4端子を持つトランジスタです.B (ボディー)はトランジスタの基盤やwellの電圧なのですが,通常はS (ソース)と繋げるためボディー簡略化して図2のように3端子として扱うことが多いです.

MOSFETはPチャネルMOSFET (pMOS)NチャネルMOSFET (nMOS)の二つがあり,またMOSFETはユニポーラトランジスタで移動するキャリアは一つです.図2のように移動するキャリアが正孔のMOSFETがpMOS,電子のMOSFETがnMOSです.

図3 nMOSの動作原理

nMOSの動作原理について図3で説明していきます.基本的にpMOSの動作原理はnMOSと反対にすればいいです.ゲートにかける電圧によってソース-ドレイン間で流れる電流が変化します.キャリアはソースからドレインに流れますが,通常ソースとドレインの違いはありません.

通常の状態ではソース-ドレイン間でキャリアは移動できませんが,ゲートに電圧をかけることによってゲート下の半導体が反転することでソース-ドレイン間で電流が流れるようになりません.よって図3のような電流-電圧特性になります.

エンハンスメント型とデプレッション型

図4 エンハンスメント (Emhancement)型とデプレッション (Depletion)型)

MOSFETはさらにエンハンスメント (Emhancement)型デプレッション (Depletion)型があります.図4のようにゲートの電圧 \(V_G\)が0 Vのときにソース-ドレイン間で電流が流れないMOSFETがエンハンスメント (Emhancement)型,電流が流れないMOSFETがデプレッション (Depletion)型です.通常はエンハンスメント型ですが,ゲート下の半導体にボディーと反対の型になる不純物を添加することで電流が流れ始める電圧を制御でき,このようにゲート下に不純物を添加することでデプレッション (Depletion)型のMOSFETができます.

MOSFETの記号

図5 MOSFETの記号

MOSFETの記号はたくさんあるのですが一部を図5に示します.4端子の記号とボディーを省略した3端子の記号があります.4端子の記号はpMOSかnMOSを示していますが,ゲート下に反転した層と基盤の型でp型からn型へ矢印が向きます.またエンハンスメント型はゲートに電圧をかけていない場合に電流が流れないので点線で,デプレッション型が電流が流れるので一本線で示されます.

まとめ

  • トランジスタ:スイッチや増幅器として働く3端子を持つ半導体素子
  • MOSトランジスタ (MOSFET):MOS構造を用いたトランジスタ
  • MOSトランジスタの端子:G (ゲート),S (ソース),D (ドレイン),B (ボディー)
  • エンハンスメント型:ゲート電圧 (V_G)が0 Vで電流が流れない
  • デプレッション型:ゲート電圧 (V_G)が0 Vで電流が流れる

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