MOSFETの構造としきい値: 電圧がチャネルを開く
ゲート電圧を上げてチャネルを起こす
上はゲート、その下の薄い帯は絶縁酸化膜だ。ゲート電圧Vgsを上げてみよう。あるしきい値Vthの下では表面に何もないが、それを超えると電子が表面に集まり、ソースとドレインを結ぶ金色のチャネルができる。
絶縁されたゲート、電流ではなく電界
MOSFETのゲートは薄い酸化膜の絶縁層の上に載っている。絶縁膜が遮るのでゲートには事実上電流が流れない。BJTがベースに電流を流して動作したのと正反対だ。ゲートは電流の代わりに電界で働く。電流がほとんど入らないので入力インピーダンスが非常に大きく、信号源にほとんど負担をかけない。
しきい値を超えるとチャネルができる
ゲート下の本体はp形なので表面に電子がほとんどない。ゲートに正の電圧をかけると、その電界が正孔を押しのけ少数キャリアである電子を表面へ引き寄せる。電圧が低いと引き寄せられる電子が少なすぎるが、あるしきい値を超えると表面に電子が十分に集まり薄いn形の層、すなわち反転層ができる。この層が両側のn形ソースとドレインを結ぶチャネルになり、はじめて電流の流れる道が開く。
しきい値電圧Vthとオーバードライブ
チャネルがちょうどでき始めるゲート電圧がしきい値電圧Vthだ。その値は酸化膜の厚さとドーピング、材料が決める。VgsがVthを超えた分、すなわちオーバードライブVgs - Vthが大きいほど多くの電子が引き寄せられチャネルが厚くなり、より大きな電流を担う。電流をほとんど食わない絶縁ゲートで電圧だけかけてチャネルを開閉するこのスイッチが、デジタルチップと電力変換を支える理由だ。
最初の画面に戻ると
ゲート電圧がしきい値の下のとき表面は空っぽでソースとドレインは切れていた。電圧を上げてしきい値を超えた瞬間、電子が表面へ引き寄せられ金色のチャネルが二つのn形領域を結んだ。その道を開いたのはゲートへ流れ込んだ電流ではなく、絶縁膜越しに働いたゲートの電界だ。しきい値はチャネルがちょうどできる境界で、その上に上げたオーバードライブがチャネルを厚くする。電流を一滴も飲まず電圧だけで流れを開閉するこのスイッチがMOSFETの出発点だ。
次へつながる流れ
しきい値を超えてチャネルを開いた。だがチャネルができた後、実際にどれだけ流れるかはドレイン電圧にもよる。次のユニットではドレイン電圧を上げながら動作がどう分かれるかを見る。チャネルが抵抗のようにふるまう線形領域と、チャネルの端が狭まり電流がもう増えない飽和領域だ。