MOSFET は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタです。または金属絶縁体半導体です。バイポーラ トランジスタは、入力端の電流の小さな変化を増幅し、出力端で大きな電流の変化を出力します。バイポーラ トランジスタのゲインは、出力と入力電流の比 (ベータ) として定義されます。電界効果トランジスタ (FET) と呼ばれる別の種類のトランジスタは、入力電圧の変化を出力電流の変化に変換します。FET のゲインは、出力電流の変化と入力電圧の変化の比として定義されるトランスコンダクタンスに等しくなります。FET の名前は、絶縁層に電界を投影することによってトランジスタを流れる電流に影響を与える入力 (ゲートと呼ばれる) にも由来しています。実際にはこの絶縁体には電流が流れないため、FET のゲート電流は非常に小さくなります。最も一般的な FET では、ゲートの下の絶縁体として二酸化シリコンの薄い層が使用されています。このようなトランジスタは、金属酸化膜半導体（MOS）トランジスタ、または金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）と呼ばれます。MOSFETは小型で電力効率が高いため、多くの用途でバイポーラトランジスタに取って代わっています。

MOSとは何ですか？効果は何ですか？

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MOSFETは、金属酸化物半導体（MOS）電界効果トランジスタ、または金属絶縁体半導体（MOS）構造のトランジスタです。MOSFETのソースとドレインは反転可能で、いずれもP型バックゲートに形成されたN型領域です。ほとんどの場合、これらの2つの領域は同じであるため、両端が反転していてもデバイスの性能には影響しません。このようなデバイスは対称型とみなされます。

バイポーラトランジスタは、入力端の小さな電流変化を増幅し、出力端に大きな電流変化を出力します。バイポーラ トランジスタのゲインは、出力電流と入力電流の比 (ベータ) として定義されます。電界効果トランジスタ (FET) と呼ばれる別のタイプのトランジスタは、入力電圧の変化を出力電流の変化に変換します。 FET のゲインは、入力電圧の変化に対する出力電流の変化の比として定義される相互コンダクタンスに等しくなります。

FETという名称は、トランジスタに流れる電流を制御する入力（ゲートと呼ばれる）に由来しています。ゲートは絶縁層に電界を投影することで、トランジスタに流れる電流を制御します。実際にはこの絶縁体には電流が流れないため、FETのゲート電流は非常に小さくなります。最も一般的なFETは、ゲート下の絶縁体として薄い二酸化シリコン層を使用しています。このようなトランジスタは、金属酸化物半導体（MOS）トランジスタ、または金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）と呼ばれます。MOSFETは小型で電力効率が高いため、多くの用途でバイポーラトランジスタに取って代わっています。

MOSFET をよりよく理解するために、まずはより単純なデバイスである MOS コンデンサを見てみましょう。このデバイスには 0 つの電極があり、XNUMX つは金属、もう XNUMX つは外因性シリコンで、薄い二酸化シリコン層で区切られています。金属極はゲート、半導体端子はバックゲートまたは本体です。それらの間の絶縁酸化物層はゲート誘電体と呼ばれます。示されているデバイスには、軽くドープされた P タイプ シリコンでできたバックゲートがあります。この MOS コンデンサの電気的特性は、バックゲートをグランドに接続し、ゲートを異なる電圧に接続することで説明できます。MOS コンデンサのゲート電位は XNUMXV です。金属ゲートと半導体バックゲート間の仕事関数の差によって、誘電体に小さな電界が生成されます。デバイスでは、この電界によって金属極がわずかに正に、P タイプ シリコン極が負になります。この電界はシリコンの最下層から表面に電子を引き付け、同時に表面から正孔をはじきます。この電界は非常に弱いため、キャリア濃度の変化は非常に小さく、デバイスの全体的な特性への影響も非常に小さくなります。

MOS コンデンサの GATE が BACKGATE に対して順バイアスされると何が起こるか。ゲート誘電体を横切る電場が強化され、より多くの電子が基板から引き上げられます。同時に、穴は表面からはじかれます。 GATE 電圧が増加すると、表面には正孔よりも多くの電子が存在します。過剰な電子により、シリコン表面は N 型シリコンのように見えます。ドーピング極性の反転は反転と呼ばれ、反転したシリコン層はチャネルと呼ばれます。 GATE 電圧が上昇し続けると、ますます多くの電子が表面に蓄積され、チャネルが強い反転になります。チャネルが形成される電圧は、しきい値電圧 Vt と呼ばれます。GATE と BACKGATE の間の電圧差がしきい値電圧未満の場合、チャネルは形成されません。電圧差がしきい値電圧を超えると、チャネルが表示されます。

MOS コンデンサ: (A) アンバイアス (VBG=0V)、(B) 反転 (VBG=3V)、(C) 蓄積 (VBG=-3V)。

中央は、MOS コンデンサの GATE がバックゲートに対して負の電圧の​​場合です。電場が逆転し、正孔が表面に引き寄せられ、電子が反発します。シリコン表面はより高濃度にドープされているように見え、デバイスは蓄積状態にあると考えられます。

MOSキャパシタの特性を利用してMOSトランジスタを構成することができます。ゲート、誘電体、バックゲートはそのまま残ります。ゲートの両側には、選択的にドープされた 2 つの追加領域があります。そのうちの 1 つはソースと呼ばれ、もう 1 つはドレインと呼ばれます。ソースとバックゲートの両方が接地され、ドレインが正の電圧に接続されていると仮定します。 GATE と BACKGATE の間の電圧がしきい値電圧より低い限り、チャネルは形成されません。ドレインとバックゲート間の PN 接合には逆バイアスがかかっているため、ドレインからバックゲートに流れる電流はわずかです。 GATE 電圧がしきい値電圧を超えると、GATE 誘電体の下にチャネルが現れます。このチャネルは、ドレインとソースを短絡する N 型シリコンの薄い層のようなものです。電子からなる電流は、ソースからチャネルを通ってドレインに流れます。一般に、ドレイン電流は、ゲート・ソース間電圧 V がしきい値電圧 Vt を超えた場合にのみ発生します。

対称型MOSFETでは、ソースとドレインの区別はある程度任意です。定義上、キャリアはソースからドレインに流れ出ます。したがって、ソースとドレインの区別はデバイスのバイアス電圧によって決まります。トランジスタのバイアス電圧が固定されていない場合、2つの端子の役割が入れ替わることがあります。この場合、回路設計者は一方がドレイン、もう一方がソースであることを指定する必要があります。

ソースとドレインは、ドーピングと形状が異なる非対称MOSFETです。非対称トランジスタを作る理由は様々ですが、最終的な結果はどれも同じです。片方のリード端子はドレインとして、もう片方はソースとして最適化されています。ドレインとソースを入れ替えると、デバイスは正常に動作しません。

トランジスタはN型チャネルを持つため、NチャネルMOSFET、またはNMOSと呼ばれます。PチャネルMOS（PMOS）トランジスタも存在します。これは、低濃度ドープのN型バックゲートとP型ソース・ドレインで構成されるP-MOSFETです。このトランジスタのゲートがバックゲートに対して順方向バイアスされている場合、電子は表面に引き寄せられ、正孔は表面から反発されます。シリコン表面には電荷が蓄積され、チャネルは形成されません。ゲートがバックゲートに対して逆方向バイアスされている場合、正孔は表面に引き寄せられ、チャネルが形成されます。したがって、PMOSトランジスタのしきい値電圧は負です。NMOSのしきい値電圧は正で、PMOSのしきい値電圧は負であるため、エンジニアは通常、しきい値電圧の前の符号を取り除きます。エンジニアは「PMOSのVtは0.6Vから0.7Vに上昇する」と表現することがありますが、実際にはPMOSのVtは-0.6Vから-0.7Vに低下します。