MOSFETの動作原理と仕組み｜遮断・線形・飽和領域をわかりやすく解説

MOSFETはドレイン、ソース、ゲートの3端子を持ち、ゲート・ソース間の電圧でオン・オフを制御します。
動作領域としては3つあります。オフ状態である遮断領域、2つのオン状態である線形領域と飽和領域です。
ゲート・ソース間の電位差がしきい値（スレッショルド電圧 V_th）以上であればゲート直下に反転層が形成されオンとなります。ドレイン・ソース間電圧がピンチオフ電圧 V_Pより低ければ線形領域で、高ければ反転層の一部が空乏層となり飽和領域でオンします。飽和領域ではV_DSによらずドレイン電流はほぼ一定となります。
より詳しく理解するためは、後述するMOSキャパシターの理解が必要です。
MOSFETには横型と縦型の構造がありますが、ここでは横型構造を中心に説明します。
縦型と横型の違いについては、FAQ: MOSFETの構造を参照ください。

注意：ここでいうV_thはMOSFETのゲートしきい値電圧です。ゲート電圧がこの値以上になると反転層が形成されオン状態になります。BJTの熱電圧とは異なるので混同しないでください。

MOSFETはゲート・ソース間の電位差によって、ドレイン・ソース間にチャネル層（反転層）が形成されオンします。オン・オフの各状態について図-4を用いて説明します。

1. 無バイアス状態 V_GS = 0: 埋め込まれたn型領域とp型基板の間に内部電位によって空乏層が生じています。
2. 空乏状態 V_GS < V_th: ゲートに正の電圧が印加されると、電極側はプラス、半導体側はマイナスに帯電しP型半導体の正孔と相殺してゲート直下に空乏層が生じます。
   この状態までがオフ状態です。
3. 反転状態 V_GS ≧ V_th: 更にゲート電圧が増加すると、ゲート電極直下に電子が集まり反転層が形成される。
   これによりn型半導体と同様の状態となり、S-G間はこの反転層によって接続されます。反転層はN-ch MOSFETの場合、自由電子が過多の状態ですので、n型半導体と同じ性質を持ちます。この反転層によってドレイン・ソース間に電流が流れるチャネルが形成されます。
   この反転状態をMOSFETがオンの状態と呼びます。MOSFETのオン状態は図-1に示す線形領域と飽和領域の2つの状態があります。それぞれの状態はドレイン・ソース間の印加電圧V_DSによって決まります。
4. 線形領域でオン 0 < V_DS ≦ V_GS – V_th : 反転層はドレインに近づくに従って浅くなっていますが、ドレイン・ソース間で途切れなく形成されています。従って、V_DSにほぼ比例する形でI_Dが流れます。
5. 飽和領域でオン V_DS ≧ V_GS – V_th : 反転層はドレインに近い部分で途切れています。ドレイン電流（ソースから注入された電子）は反転層とドレイン間の空乏層を通って流れます。ただし、ドレイン電流はV_GSが固定の場合、ほぼ一定の電流となります。

もう少し深く理解をするためには、MOSキャパシターの理解が重要です。
MOSキャパシターは図-3の点線で囲まれた部分です。図-4で説明した1～3の各状態でのMOSキャパシターとエネルギーバンドの状態を図-5に示します。MOSキャパシターはエネルギーバンド図に合わせて左に90°回転させた形で記載しています。
N-ch MOSFETのMOSキャパシターは絶縁膜を挟んだ金属電極とp基板によって構成されます。このMOSキャパシターはMOSFETのゲートに相当する電極（G）とバックゲート（B）間の電圧によって状態が変化します。バックゲートとソースは短絡されており同電位であるので、ここではMOSFETで通常使用されるV_GSをパラメータとして用います。

1. 無バイアス状態です。図のようなエネルギーの状態になります。この状態では、絶縁膜直下には何も生じていません。この例では金属の仕事関数Φ_mとp型半導体の仕事関数Φ_S（フェルミ順位と真空準位の差）が同じこととして記載しているため、バンド曲がりが生じていない状態（フラットバンド状態）となっていますが、通常は異なるためバンド曲がりが生じます。尚、仕事関数の差分（Φ_SーΦ_ｍ）をフラットバンド電圧と呼びます。
2. 空乏状態です。0<V_GS<V_th の電圧を印加しているので、バンド曲がりが発生しています。 印加した電圧によりp型を構成している不純物（Bなど）が電子を捕獲しp型半導体側にのみ空乏層が形成される。（ゲート側をプラスで電圧を印加しているのにゲート側が下がるのは、エネルギーバンド図が電子を基準としているためです。）
3. 反転状態です。V_th<V_GS が印加され更にバンドが曲がります。絶縁膜近傍ではこの曲がりによってるとフェルミ準位EFが真性フェルミ準位Eiより高くなる状態が生じp型からn型に反転します。この部分にp型の少数キャリアである電子が蓄積されます。

このようにMOSキャパシターは電極（G）とバックゲート（B）間に印加する電圧V_GSによって、状態が変化します。MOSFETのオン・オフは反転状態とそれ以外の状態を切り替えることで行われます。ただし、ここでは考慮していないドレイン・ソース間に印加する電圧により、もう一つの状態が生じます。これが飽和です。

MOSFETのオンの状態には、線形と飽和の2つの状態があります。（図-1参照）ゲート電圧V_GSがしきい値V_thを超えてオンした状態で、ドレイン電圧V_DSを上げていくと、ある電圧で反転層（チャネル）のドレイン側が空乏化し、反転層が途切れます。この境界となる電圧をピンチオフ電圧VPと呼び、V_P = V_GS - V_thで表されます。飽和状態の条件は V_DS ≥ V_GS - V_th です。
飽和状態に入ると、V_DSを高くしてもドレイン電流I_Dはほぼ一定となります。なぜ一定となるのかを説明します。
V_GS > V_th で V_DS = 0Vの時は、ゲートとp型半導体の間の電位差はソース近傍もドレイン近傍も同じで、均等に反転層が形成されます。（図-6参照）

V_GS >V_th でドレイン・ソース間に電圧 V_DSが印加されている場合、ソース側は0V、ドレイン側はV_DSとなります。V_DSを印加すると、反転層内の電位はソースからドレインにかけて連続的に変化します（図-7参照）。

ソースからドレインまでの距離をLとすると、位置xにおける電位V_(x)によりゲートと基板間の電位差は次の式で表されます。
V_GS(x) = V_GS – V_(x)

この電位差がV_th以上なら反転層が形成され、未満なら反転層は形成されず空乏層となります。

• V_GS – V (x) ≧ V_th : 反転層
• V_GS – V (x～L) < V_th : 空乏層

x’ で V_GS – V(x’) = Vth となる場合の図を図-8に示します。

x’でV_GS - V_(x’) = V_thとなる位置はピンチオフ点と呼ばれます。ピンチオフ点からドレイン端までの間は空乏層となります。空乏層はキャリアがほとんど存在しませんが図-9のエネルギーバンド図に示すように、ソースからドレイン方向には拡散障壁がありません。このため、電子は空乏層の電界で加速されてドレインに到達します。

したがって、ドレイン電流はソースからこのｘ‘まで反転層に印加されている電圧（V_GS – V_th）と、その区間のチャネル抵抗で決まります。この抵抗を R_ch(sat) とすると、飽和時のドレイン電流は次の式で表されます。
I_D(sat) = (V_GS − V_th) / R_ch(sat)
このため、飽和状態ではドレイン電流はV_DSにほぼ依存しません。ただし、V_DSが増加するとピンチオフ点がソース側に移動し、チャネル長が短くなるため、R_ch(sat)が減少し、I_Dはわずかに増加します（チャネル長変調効果）。実際の製品での増加状態を図-10に示します。

【補足】
短チャネル製品とチャネル長変調効果 チャネル長変調効果によるドレイン電流の増加は、短チャネルMOSFETほど顕著になります。これは、ピンチオフによる実効チャネル長の変化率が短チャネルでは相対的に大きいためです。短チャネルの製品とは、MOSFETのチャネル長が非常に短く設計されたデバイスで、最新の微細プロセス技術を用いたロジックICや高速スイッチング用途のMOSFETが該当します。チャネル長が短いほど、λ（チャネル長変調係数）が大きくなり、飽和領域での電流増加の傾きが大きくなります。

製品ラインナップについては、以下のページ・ドキュメントを参考にしてください。