この記事では『ダイオード接続』について
- トランジスタ(MOSFET)の『ダイオード接続』とは
- 『ダイオード接続』したトランジスタ(MOSFET)の動作
- 『ダイオード接続』したトランジスタ(MOSFET)に流れるドレイン電流IDの式
などを図を用いて分かりやすく説明するように心掛けています。ご参考になれば幸いです。
トランジスタ(MOSFET)の『ダイオード接続』とは
トランジスタ(MOSFET)のダイオード接続とは『ドレイン端子(D)とゲート端子(G)を接続すること』をいいます。
ドレイン端子(D)とゲート端子(G)を接続している時、ドレインソース間電圧VDSとゲートソース間電圧VGSが等しくなります(VDS=VGS)。
ドレインソース間電圧VDSがMOSFETの閾値電圧VTHを超えると、ドレイン電流IDが流れ始めます。その様子がダイオードの動作と似ているため、ダイオード接続と呼ばれています。
補足
- ダイオード接続は下図に示すように『Nチャネル型のMOSFET』を使う場合と『Pチャネル型のMOSFET』を使う場合があります。
- バイポーラトランジスタでもダイオード接続があります。バイポーラトランジスタのダイオード接続とは、コレクタ端子(C)とベース端子(B)を接続することをいいます。
- バイポーラトランジスタのダイオード接続は下図に示すように『NPN型のバイポーラトランジスタ』を使う場合と『PNP型のバイポーラトランジスタ』を使う場合があります。
『ダイオード接続』したトランジスタ(MOSFET)の動作
上図に直流電圧源VDD、抵抗R1、Nチャネル型MOSFETで構成された回路図を示しています。この回路は下記のように動作をします。
- 電流IDが流れていない状態
- 電流IDが流れる
- 電流IDが安定する
電流IDが流れていない状態では、ドレインソース間電圧VDSはVDDになります(電流IDがゼロ→抵抗R1での電圧降下がゼロ→ドレインソース間電圧VDSは直流電圧源VDDと等しくなる)。
電流IDが流れると、抵抗R1により電圧降下が生じるため、ドレインソース間電圧VDSが小さくなります。
ドレインソース間電圧VDSはある値で落ち着き、MOSFETと抵抗R1に流れる電流IDが安定します。具体的には、電流IDが大きくなると、抵抗R1での電圧降下が大きくなるため、ドレインソース間電圧VDSが減少し、電流IDが小さくなります。一方、電流IDが小さくなると、抵抗R1での電圧降下が小さくなるため、ドレインソース間電圧VDSが増加し、電流IDが大きくなります。
『ダイオード接続』したトランジスタ(MOSFET)に流れるドレイン電流IDの式
上図に示しているのはMOSFETの『出力特性(ID-VDS特性)』です。
MOSFETの『出力特性(ID-VDS特性)』には3つの領域(線形領域、飽和領域、遮断領域)があります。
各領域は下記の意味となっています。
ドレインソース間電圧VDSが『VGS－VTH』より小さい時(VDS＜VGS－VTH)は、MOSFETは線形領域で動作します。線形領域では、ドレインソース間電圧VDSが増加するとドレイン電流IDが増加します。『出力特性(ID-VDS特性)』の青色の箇所となります。
ドレインソース間電圧VDSが『VGS－VTH』より大きい時(VDS＞VGS－VTH)は、MOSFETは飽和領域で動作します。飽和領域では、ドレインソース間電圧VDSによらず、ゲートソース間電圧VGSが変わると、ドレイン電流IDが変わります。『出力特性(ID-VDS特性)』の赤色の箇所となります。
ゲートソース間電圧VGSがゲート閾値電圧VTHより低い領域です。『出力特性(ID-VDS特性)』の緑色の箇所となります。
各領域については下記の記事で詳しく説明していますので、ご参考になれば幸いです。
MOSFETが飽和領域で動作している時(VDS＞VGS－VTHの時)のドレイン電流IDは次式で表されます。
\begin{eqnarray}
I_{D}=\frac{1}{2}\frac{W}{L}{\mu}_{N}C_{OX}(V_{GS}-V_{TH})^2\tag{1}
\end{eqnarray}
上式において、W、L、μN、COX、VTHは下記を意味しています。
- W：ゲート幅[μm]
- L：ゲート長[μm]
- μN：キャリア移動度[cm2/(V・s)]
- COX：単位面積あたりのゲート容量[F/cm2]
- VTH：MOSFETの閾値電圧[V]
また、MOSFETをダイオード接続している時は『VDS=VGS』であり、『VDS＞VGS－VTH』が成り立つため、飽和領域で動作しているということになります。したがって、(1)式において、『VDS=VGS』を代入すると、ドレイン電流IDは次式となります。
\begin{eqnarray}
I_{D}=\frac{1}{2}\frac{W}{L}{\mu}_{N}C_{OX}(V_{DS}-V_{TH})^2\tag{2}
\end{eqnarray}
線形領域と飽和領域の境界は『VDS=VGS－VTH』です(上図のオレンジ色の点線です)。ダイオード接続している時は『VDS=VGS』なので、上式で示されるドレイン電流IDの特性は線形領域と飽和領域の境界を右側にVTHシフトしたような曲線になります。
まとめ
この記事では『ダイオード接続』について、以下の内容を説明しました。
- トランジスタ(MOSFET)の『ダイオード接続』とは
- 『ダイオード接続』したトランジスタ(MOSFET)の動作
- 『ダイオード接続』したトランジスタ(MOSFET)に流れるドレイン電流IDの式
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