今回は、「MOSFETの構造と動作原理」についての説明です。
目次
１．初めに
FETは電子または正孔のどちらか1種類をキャリアとしたトランジスタで、ユニポーラトランジスタと呼ばれています。
そんなFETの種類はJFETとMOSFETに二分されます。
今回はMOSFETの構造と動作原理を解説していきます。
２．エンハンスメント型MOSFETの構造と動作原理
MOSFETにはエンハンスメント型とデプレッション型という2つのタイプがあります。
まずはエンハンスメント型から解説していきます。
そのエンハンスメント型の中にnチャネル型とpチャネル型という2タイプがまた存在するんですけどね。
エンハンスメント型は、ゲートに電圧を印加した際に電流が流れるようになるタイプです。
対してデプレッション型はゲートに電圧を印加した際に電流は流れないようになるタイプを指しています。
ちなみに、市場に出回っているのはほとんどエンハンスメント型MOSFETです。
２－１．nチャネル型MOSFETの構造と動作原理(エンハンスメント型)
nチャネル型MOSFETは、その名の通りキャリアが電子になっています。
構造は図1のようになっています。
ゲート端子は金属の下に酸化膜絶縁層が存在します。
また、サブストレートという端子がありますが、実物のパッケージ内部でソース端子と接続されていて、外部端子としては存在しないことがあります。
実際にどのように動作するのか説明していきますね。
まず、ドレイン(D)－ソース(S)間に電圧を印加します。
ドレイン端子には正電圧、ソース端子には負電圧という繋ぎにします。
この状態ではどこにも電流は流れません。
次は、追加でゲート(G)－ソース(S)間にも電圧を印加します。
ゲート端子には正電圧、ソース端子には負電圧という繋ぎにします。
すると、ゲート端子に正電圧が印加されることで、ゲート端子付近のp型半導体の多数キャリアである正孔が反発して移動します。
それとは逆に、ドレイン端子及びソース端子のn型半導体の電子がゲート端子に引き寄せられます。
その結果、ゲート端子付近にn型半導体に等しい反転層が出来上がります。
この反転層と、元から存在するドレイン端子及びソース端子が繋がって、n型半導体の通り道が構成されます。
後は、繋いだ電源の向きからわかるように、ソースからドレイン方向に電子が移動するようになり、ドレインからソース方向に電流が流れることがわかります。
ここでキャリアが電子になるから、n型なのです。
この調子でゲート－ソース間電圧のE’をどんどん増加させていくと反転層がどんどん広がっていき、電子の通り路が大きくなり、流れる電流も増加するわけです。
これがnチャネル型MOSFETの動作原理です。
２－２．pチャネル型MOSFETの構造と動作原理(エンハンスメント型)
※nチャネル型MOSFET同様に説明を記述していきますが、キャリアが正孔に、電流の流れる向きがソースからドレイン方向に入れ替わるだけです。
pチャネル型MOSFETは、その名の通りキャリアが正孔になっています。
構造は図6のようになっています。
まず、ドレイン(D)－ソース(S)間に電圧を印加します。
ドレイン端子には負電圧、ソース端子には正電圧という繋ぎにします。
この状態ではどこにも電流は流れません。
次は、追加でゲート(G)－ソース(S)間にも電圧を印加します。
ゲート端子には負電圧、ソース端子には正電圧という繋ぎにします。
すると、ゲート端子に負電圧が印加されることで、ゲート端子付近のn型半導体の多数キャリアである電子が反発して移動します。
それとは逆に、ドレイン端子及びソース端子のp型半導体の正孔がゲート端子に引き寄せられます。
その結果、ゲート端子付近にp型半導体に等しい反転層が出来上がります。
この反転層と、元から存在するドレイン端子及びソース端子が繋がって、p型半導体の通り道が構成されます。
後は、繋いだ電源の向きからわかるように、ソースからドレイン方向に正孔が移動するようになり、ソースからドレイン方向に電流が流れることがわかります。
ここでキャリアが正孔になるから、p型なのです。
この調子でゲート－ソース間電圧のE’をどんどん増加させていくと反転層がどんどん広がっていき、正孔の通り路が大きくなり、流れる電流も増加するわけです。
これがpチャネル型MOSFETの動作原理です。
３．デプレッション型MOSFETの構造と動作原理
次はデプレッション型について解説します。
まあ、エンハンスメント型の動作原理を説明したので、それで理解できたならこちらはほぼ説明不要なんですけどね。
デプレッション型MOSFETは、エンハンスメント型MOSFETと違ってゲート(G)－ソース(S)間に電圧を印加しなくても反転層が形成されています。
なので、ドレイン(D)－ソース(S)間に電圧を印加するだけで電流が流れます。
逆に、ゲート(G)－ソース(S)間電圧を印加することで、電流が流れなくなります。
反転層の役割されイメージできてしまえば、MOSFETの動作原理はそんなに難しくないんですよ。
以上、「MOSFETの構造と動作原理」についての説明でした。
