MOSFET

＜【前回】トランジスタの原理

前回解説したバイポーラトランジスタの他に、トランジスタには以下のような種類がある。

• 電界効果トランジスタ（FET）
• 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）
• トレンチMOS構造アシストバイポーラ動作FET（GTBT）
• ユニジャンクショントランジスタ（UJT）
• プログラマブルUJT（PUT）
• フォトトランジスタ
• 静電誘導型トランジスタ（SIT）
• ダーリントントランジスタ
• パワーバイポーラトランジスタ

今回は電界効果トランジスタ（FET）の１種であり、集積回路で最も一般的に使用されている、MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) について解説する。

MOSFETの構造

上図はn型MOS（NMOS）と呼ばれるMOSFETである。p型半導体の基板の一部（2か所）に不純物をイオン注入してn型半導体とし、n型半導体間にはゲート酸化膜（上図青長方形）を挟んだゲート（G）電極を作る。２つのn型半導体領域はドレイン（D）とソース（S）という端子となり、すなわちMOSFETはゲート（G）、ドレイン（D）、ソース（S）の３つの端子を持つ。

p型基盤とソースは接地され（０V）、ゲートとドレインには正電圧を加える。この時、ゲート‐ソース間にかかる電圧をV_GS、ドレイン‐ソース間にかかる電圧をV_DSとする。

MOSFETの動作

ゲートに正電圧が印加されていない場合、ドレインとソースは分離されているため、V_DSをいくら大きくしてもドレイン‐ソース間には電流が流れない。しかし、ゲートに正電圧が印加するとゲート付近に電子が吸い寄せられ、反転層と呼ばれるn型半導体に類似した領域が生ずる（下図）。

この反転層はいわばドレイン‐ソース間の架け橋であり、この状態になれば電子がソースからドレインに移動する１続きの道ができるため、電流が流れるようになる。なお、上図で反転層の形がナナメになっているのはドレインにかかる正電圧の影響であり、ゲート・ドレイン双方に正電圧がかかることでゲート‐ドレイン間の電圧（V_GD = V_GS - V_DS）はゲート‐ソース間の電圧よりも小さくなり、電子を吸い寄せる力が小さくなるためである。以下、各電圧の変化によるMOSFETの動作について説明する。

遮断領域

ゲートに正電圧をかけることで反転層が生じるが、そのためにはV_GSの値が一定の閾値（V_t）を超える必要がある。そのため、

V_GS < V_t

の時にはドレイン‐ソース間には電流が流れない。このような状態を遮断領域という。

線形領域

逆に、V_GS > V_tの時はドレイン‐ソース間には電流が流れ、その電流値はV_DSの上昇に比例する。しかし、V_DSが上昇するにしたがってドレイン付近の反転層は薄くなり、最終的には反転層の通路が途切れる。これは、V_GD（= V_GS - V_DS）がV_tを下回ることによって生じるものである（ピンチオフ）。

V_GS > V_tで、ピンチオフせずにドレイン‐ソース間の電流がV_DSに比例する状態を線形領域といい、この時の条件は

V_GS - V_DS > V_t

である。

飽和領域

V_GS - V_DS < V_t

のとき、ピンチオフが生じて反転層の通路は断絶する（下図）。

この状態になると、V_DSを上昇させてもピンチオフ点がわずかにソース側に移動するだけでドレイン‐ソース間の電流は変化しない。したがって、これ以上のV_DSでは電流は定常流となり、この状態のことを飽和状態という。

MOSFETの性質

バイポーラトランジスタがベース電流の変化によってスイッチや増幅の機能を果たしているのに対し、MOSFETはゲート電圧によってそれを制御している。MOSFETのこのような性質は、消費電力の少なさという面で優れている。また、MOSFETがコンピュータを始めとした論理回路によく用いられるのは、その構造上集積化が容易であるからという側面もある。

MOSFETの種類

上で説明したのはn型MOS（NMOS）であるが、キャリアに電子ではなく正孔を用いるp型MOS（PMOS）と呼ばれる型も存在する。以下は両者の比較である。

n型MOS（NMOS）

ゲートに正電圧がかかるとドレイン‐ソース間に電流が流れる。

p型MOS（PMOS）

ゲートに負電圧がかかるとドレイン‐ソース間に電流が流れる。

CMOSとNOTゲート【次回】＞