MOSFETの『出力特性』と『線形領域、飽和領域、遮断領域』について！

この記事ではMOSFETの『出力特性(I_D-V_DS特性)』について

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。

MOSFETの『出力特性(I_D-V_DS特性)』とは？

MOSFETの出力特性(I_D-V_DS特性)とは、MOSFETの静特性の一種であり、あるゲートソース間電圧V_GSを印加している状態において、ドレインソース間電圧V_DSとドレイン電流I_Dの関係を表した特性です。

ドレインソース間電圧V_DSがある一定値を超えるまでは、ドレインソース間電圧V_DSが増加するとドレイン電流I_Dが増加しますが、ドレインソース間電圧V_DSがある一定値を超えると、ドレイン電流I_Dはドレインソース間電圧V_DSによらず、ゲートソース間電圧V_GSに依存する値となります。

MOSFETの線形領域、飽和領域、遮断領域について

MOSFETの『出力特性(I_D-V_DS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。また、線形領域と飽和領域の境界である電圧をピンチオフ電圧V_Pといいます。

MOSFETをスイッチとして用いるときは、線形領域(スイッチがオンの状態)と遮断領域(スイッチがオフの状態)を利用し、MOSFETをアンプとして用いるときは、飽和領域を利用します。

次に、3つの領域(線形領域、飽和領域、遮断領域)とピンチオフ電圧V_Pについて順番に説明します。

線形領域

線形領域とは、ドレインソース間電圧V_DSを上げていくと、ドレイン電流I_Dが増える領域領域であり、『出力特性(I_D-V_DS特性)』の青色の箇所となります。

線形領域では、ドレイン電流I_Dを沢山流しても、ドレインソース間電圧V_DSが小さいため、MOSFETをスイッチング用途で使用する場合、この領域を用います。

また、ゲートソース間電圧V_GSが大きいほど、『出力特性(I_D-V_DS特性)』の傾きが急になります。

『出力特性(I_D-V_DS特性)』の傾きはオン抵抗R_ONの逆数であり、以下の式で表されます。
\begin{eqnarray}
傾き=\frac{{\Delta}I_D}{{\Delta}V_{DS}}=\frac{1}{R_{ON}}
\end{eqnarray}したがって、ゲートソース間電圧V_GSが大きくすると、『出力特性(I_D-V_DS特性)』の傾きが急になる(オン抵抗R_ONが小さくなる)ということになります。

線形領域におけるMOSFETの構造図

MOSFETにゲートソース間電圧V_GSを印加すると、ゲート(G)の絶縁膜直下にP層内の電子が引き寄せられ、電子よるNチャネル領域(反転層：上図の赤色)が形成されます。

ドレインソース間電圧V_DSがゲートソース間電圧V_GSに比べて十分小さい時は、Nチャネル領域はゲート電極下に均等に形成されます。

このNチャネル領域はドレインソース間の架け橋となります。そのため、ドレインソース間電圧V_DSを印加する(ドレインにプラス、ソースにマイナス)と、電子はマイナスなのでドレインに引き付けられます。すなわち、ソースからドレインに向かって電子が流れます(ドレイン電流I_Dは電子の流れる方向と反対でドレインからソースに向かって流れます)。

この時、ゲートソース間電圧V_GSが増加すると、Nチャネル領域に集まる電子の密度が高くなるので、チャネルの電気抵抗が減少します。そのため、線形領域ではゲートソース間電圧V_GSの大きさによってオン抵抗R_ONが変わります。

また、ある一定のゲートソース間電圧V_GSの場合、ドレインソース間電圧V_DSが増加すると、ドレイン電流I_Dが比例して増加します。すなわち、線形領域では、ドレイン電流I_Dとドレインソース間電圧V_DSの関係はオームの法則のように線形直線となります。

ピンチオフ電圧

ピンチオフ電圧V_Pとは線形領域と飽和領域の境界となるドレインソース間電圧V_DSのことであり、『出力特性(I_D-V_DS特性)』のオレンジ色の箇所となります。

ピンチオフ電圧におけるMOSFETの構造図

MOSFETにゲートソース間電圧V_GSを印加すると、ゲート(G)の絶縁膜直下にP層内の電子が引き寄せられ、電子よるNチャネル領域(反転層：上図の赤色)が形成されます。

ドレインソース間電圧V_DSを大きくすると、Nチャネル領域はゲート電極下に均等に形成されなくなります。

MOSFETはソースとドレインの電極下はN⁺層となっており、P層との間にPN接合ができています。

そのため、ドレインソース間電圧V_DSを印加する(ドレインにプラス、ソースにマイナス)と、ドレインの電極下のN⁺層とP層のPN接合部に逆方向の電圧をかけた場合のようになり、ドレインの電極下のN⁺層とP層の境界部分には電子も正孔もいない空乏層が生じます。この空乏層はドレインソース間電圧V_DSが大きくなるほど広がり、Nチャネル領域にある電子も追い出すようになります。

その結果、あるドレインソース間電圧V_DSにおいて、ドレイン付近では上図のようにNチャネル領域が遮断します。これは、ゲートドレイン間電圧V_GD(=V_GS-V_DS)がゲートしきい値電圧V_THとなるときに生じます。
\begin{eqnarray}
V_{GD}=V_{GS}-V_{DS}=V_{TH}
\end{eqnarray}また、Nチャネル領域が遮断されることをピンチオフといい、この時のドレインソース間電圧V_DSをピンチオフ電圧V_Pといいます。

すなわち、ピンチオフ電圧V_Pは、
\begin{eqnarray}
V_{TH}=V_{GS}-V_{DS}
\end{eqnarray}のV_DSをV_Pに置き換えて、
\begin{eqnarray}
V_{TH}&=&V_{GS}-V_{P}\\
{\Leftrightarrow}V_{P}&=&V_{GS}-V_{TH}
\end{eqnarray}となります。

飽和領域

飽和領域とは、ゲートソース間電圧V_GSが一定なら、ドレインソース間電圧V_DSによらずドレイン電流I_Dが一定となる領域であり、『出力特性(I_D-V_DS特性)』の赤色の箇所となります。

つまり、飽和領域では、ドレイン電流I_Dはドレインソース間電圧V_DSではなくゲートソース間電圧V_GSで決まります。

飽和領域におけるMOSFETの構造図

MOSFETにゲートソース間電圧V_GSを印加すると、ゲート(G)の絶縁膜直下にP層内の電子が引き寄せられ、電子よるNチャネル領域(反転層：上図の赤色)が形成されます。

飽和領域では、ドレインソース間電圧V_DSがピンチオフ電圧V_Pを超えているNチャネル領域が遮断されている状態です。

ピンチオフになると、ドレインソース間電圧V_DSを増やしても、ピンチオフの箇所が移動するだけであり、ドレイン電流I_Dは増えなくなります。

なお、Nチャネル領域が遮断されると、電流が流れなくなるように感じますが、そうはなりません。

ドレインには大きなプラスの電圧が印加されており、電子を引き寄せる力があります。そのため、ソース側に残っているNチャネル領域から電子が空乏層領域に入ると、ドレインの強い電界にひかれて電子がドレインに流れ込みます。

線形領域ではチャネルがドレインソース間で繋がっているため、ドレインソース間電圧V_DSを大きくすれば、ソースから供給される電子が多くなり、それがそのままドレインに流れ込みました。しかし、Nチャネル領域が遮断されると、ソース側に残っているNチャネル領域から電子が空乏層領域に入る量はドレインソース間電圧V_DSを大きくしてもあまり変わらなくなります。したがって、飽和領域ではドレインソース間電圧V_DSを増やしても、ピンチオフの箇所が移動するだけであり、ドレイン電流I_D増えなくなります。

遮断領域

遮断領域とは、ゲートソース間電圧V_GSがゲート閾値電圧V_THより小さい領域であり、『出力特性(I_D-V_DS特性)』の緑色の箇所となります。

遮断領域では、ドレインソース間電圧V_DSを印加しても、ドレインソース間に電流は流れません。

遮断領域におけるMOSFETの構造図

遮断領域においてはNチャネル領域が形成されていません。そのため、ドレインソース間の架け橋がないため、ドレインソース間電圧V_DSを印加してもドレイン電流I_Dが流れません。

【補足】MOSFETの線形領域、飽和領域、遮断領域の式

ゲートソース間電圧V_GS、ゲートしきい値電圧V_TH、ドレインソース間電圧V_DSの関係は以下となっています。

線形領域

また、線形領域におけるドレイン電流I_Dの式は以下となります。
\begin{eqnarray}
I_{D}=\frac{W}{L}{\mu}_{N}C_{OX}\left[\left(V_{GS}-V_{TH}\right)V_{DS}-\frac{1}{2}V_{DS}^2\right]
\end{eqnarray}
ここで、ドレインソース間電圧V_DSが小さい場合、\(\displaystyle\frac{1}{2}V_{DS}^2\)を無視することができ、
\begin{eqnarray}
I_{D}=\frac{W}{L}{\mu}_{N}C_{OX}\left(V_{GS}-V_{TH}\right)V_{DS}
\end{eqnarray}
となります。\(\displaystyle\frac{W}{L}{\mu}_{N}C_{OX}\left(V_{GS}-V_{TH}\right)\)を\(X\)と置くと、
\begin{eqnarray}
I_{D}=XV_{DS}
\end{eqnarray}
となり、ドレインソース間電圧V_DSが増えると、ドレイン電流I_Dが比例するように増加します。

飽和領域

また、飽和領域におけるドレイン電流I_Dの式は、線形領域の式において、\(V_{DS}=V_{GS}-V_{TH}\)を代入し、

\begin{eqnarray}
I_{D}&=&\frac{W}{L}{\mu}_{N}C_{OX}\left[\left(V_{GS}-V_{TH}\right)V_{DS}-\frac{1}{2}V_{DS}^2\right]\\
\\
&=&\frac{W}{L}{\mu}_{N}C_{OX}\left[(V_{GS}-V_{TH})(V_{GS}-V_{TH})-\frac{1}{2}(V_{GS}-V_{TH})^2\right]\\
\\
&=&\frac{W}{L}{\mu}_{N}C_{OX}\left[(V_{GS}-V_{TH})^2-\frac{1}{2}(V_{GS}-V_{TH})^2\right]\\
\\
&=&\frac{1}{2}\frac{W}{L}{\mu}_{N}C_{OX}(V_{GS}-V_{TH})^2\\
\end{eqnarray}

となります。

遮断領域

ピンチオフ点

まとめ

この記事ではMOSFETの『出力特性(I_D-V_DS特性)』について、以下の内容を説明しました。

お読み頂きありがとうございました。

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