電子デバイス

ソース, ゲート, ドレイン

空乏層の幅を変え、多数キャリアの移動状態を制御する

多数キャリアを移動させる

Vdsを一定とさせた時のVgsとIdの関係

Vgsを一定とした時のVdsとIdの関係

ゲートピンチオフ電圧

Vgsを一定としVdsを0~数V程度印加するとn型半導体中の多数キャリアである自由電子がチャネルであるソース側からドレイン側へ移動する。これによりVdsを徐々に大きくするとほぼ比例してドレイン電流も増加する

Vgsが一定でもVdsがある程度以上大きくなればゲートとドレインの電位差が大きくなるため逆方向バイアス状態が強くなり空乏層が広がることになる。空乏層が広がることでチャネルが狭くなるため抵抗が大きくなりIdはこの抵抗によって決まる分しか流れなくなるため直線的増加から外れ飽和してしまう

Vdsを印加するとn型半導体中の多数キャリアの自由電子がチャネルであるソース側からドレイン側へ移動する

Vgsを印加するとちょうどドレイン、ソース間のpn接合部分にかかることになる。電圧としては逆方向バイアスがかかるため、空乏層ができてしまう。Vgsを大きくすると空乏層の広がりも大きくなりやがて切れてしまう。

ピンチオフ電圧

伝達特性, Id, Vgs, ゲートピンチオフ電圧

出力特性, Vds, Id, Vgs=0

小さなVgsの変化で大きなIdの変化を得る

多数キャリアをより移動させる効果, 空乏層を広げる効果

Metal Oxide Semiconductor

金属と半導体のフェルミ準位の位置が同じ, 酸化物内や表面に電荷が存在しない

真空準位とフェルミ準位のエネルギー差で、半導体は不純物量で変化するが金属は変化しない

真空準位と伝導帯下端のエネルギー差で、物質固有の値

金属側に負の電圧Vgsを印加すると酸化物の静電誘導作用により半導体内の正孔が酸化物との接触面に集まり過剰な状態になり、正孔が半導体表面に蓄積された状態となる。半導体側のエネルギーバンドは表面付近で伝導帯側に曲がり半導体側のフェルミ準位が下がる。

金属側に正の電圧Vgを印加した時、半導体中の正孔が酸化物の静電誘導作用により内部に追いやられ酸化物との接触面付近はキャリアの存在しない領域になる。半導体側のエネルギーバンドは表面付近で半導体内部に対し価電子側に曲がることで半導体側のフェルミ準位が上がる。

空乏状態から金属側により大きな正の電圧Vgを印加した時酸化物との接触面にp型半導体の少数キャリアである自由電子が引き寄せられこの領域の電子密度が非常に高くなる。半導体側のエネルギーバンドは表面付近で半導体内部に対し価電子側に大きく曲がる。

反転層がチャネルとなる

ゲート端子に電圧を印加しないとドレイン電流が流れない

ゲート端子に電圧を印加しなくてもドレイン電流が流れる

あらかじめ半導体付近に弱い反転層を形成することが可能である

入力インピーダンスが高い, 温度特性, 構造がバイポーラトランジスタより簡単, 動作がバイポーラトランジスタより遅い

ソース端子からドレイン端子に向かいn+-p-n+で、2つのpn接合が反対向きに直列接続された状態と同等である。Vdsのみを印加しても1ヶ所のpn接合で逆方向バイアス状態であるためドレイン電流が流れない。