動作領域: 抵抗から電流源へ
ドレイン電圧を上げて二つの顔を見る
曲線はゲートをオンにしたまま描いたId-Vds特性だ。ドレイン電圧Vdsが小さいうちは電流が比例するように真っ直ぐ上がる。だがVdsがオーバードライブに達すると曲線が膝のように折れて平らになる。その膝を自分で越えてみよう。
遮断と線形、オンのチャネルは抵抗
Vgsがしきい値の下ならチャネルがなく電流0の遮断だ(D1)。チャネルができた後、ドレイン電圧をわずかにかけると、チャネルはソースからドレインまでほぼ均一な導電層だ。その層に電圧をかけるとオームの法則のように電流が流れ、電流はVdsにほぼ比例する。このときチャネルの抵抗値はゲート電圧が決める。つまりMOSFETは電圧で値を変える抵抗であり、デジタルスイッチのオン抵抗やアナログスイッチはまさにこの領域を使う。
ピンチオフ、ドレイン側のチャネルが閉じる
Vdsを上げると、チャネルに沿ってソースからドレインへ行くほど電位が高くなる。チャネルを開く力はゲートとチャネルの間の電圧だが、ドレイン近くではチャネル電位が高くこの値が次第に減る。VdsがオーバードライブVov = Vgs - Vthに達すると、ドレイン端でゲート-チャネル電圧がちょうどしきい値まで下がり、そこのチャネル厚が0になる。チャネルがドレインにもう届かないこの状態がピンチオフだ。
飽和、電流が平らになる
ピンチオフを越えてVdsをさらに上げても、ピンチ点がわずかに内へ移るだけで、チャネルが運ぶ電流はほぼそのままだ。だから電流が平らになる飽和領域になる。このとき電流の大きさはVdsではなくオーバードライブが決め、二乗則Id ≈ (1/2) k Vov²に従う。MOSFETがVgsで制御される電流源のようにふるまうこの領域が、BJTの活性領域に当たる増幅の場だ。
最初の画面に戻ると
ドレイン電圧が低いとき曲線は真っ直ぐ上がった。その区間でMOSFETはゲートで値を決める抵抗だった。ドレイン電圧をオーバードライブまで上げると曲線が膝で折れたが、それはドレイン側のチャネルの端がピンチオフした瞬間だった。その上は電圧をさらにかけても電流がほぼそのままの平らな飽和で、そこでMOSFETはVgsで大きさを決める電流源になった。一つの素子がオンのままでも二つの顔、すなわち抵抗と電流源を持つ。その境を引いたのは、ドレイン電圧がオーバードライブに達するかどうかだった。
次へつながる流れ
飽和領域でMOSFETはVgsで制御される電流源だった。次のユニットではBJTのときと同様、その動作点の周りの小さな揺れだけを取り出して線形化する。小さなゲート電圧が作る小さなドレイン電流、その比例定数がMOSFETのトランスコンダクタンスgmだ。増幅へ向かう同じ道をMOSFETでもう一度歩く。