2．1 mosfetの機能と構造 -...
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２．１ MOSFETの機能と構造
MOSFETの動作原理
２．１．１ pn接合
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不純物による電気伝導の制御（１）
Siの結晶の模式図 P（リン）ドープSi結晶
ドープ(Dope):不純物を混ぜること
III IV VBAlGaIn
CSiGeSn
NP
AsSb
+-
簡略表示
電子（青色）
結合に関与しない余った電子（自由電子: Free Electron）※
※ 結合電子と区別す
るため移動できる電子は自由電子と呼ばれる。以後、省略して単に「電子」と呼ぶ
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不純物による電気伝導の制御（２）
結合手の電子が不足してできた孔（ホール: hole）
Siの結晶の模式図 B（ボロン）ドープSi結晶
ドープ(Dope):不純物を混ぜること
III IV VBAlGaIn
CSiGeSn
NP
AsSb
簡略表示
+-
電子（青色）
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不純物による電気伝導の制御（３）III IV VBAlGaIn
CSiGeSn
NP
AsSb
n型半導体
+-
電子（青色）
+-
+-+
-+
-+
-
キャリアは不純物の数と同じ数だけ発生するが不純物は動けないことに注意
p型半導体
不純物を入れていない半導体は真性半導体(Intrinsic Semiconductor)と呼ぶ
アクセプタ(Acceptor)不純物（動けない）
ドナー(Donor)不純物（動けない）
ホール（移動できる） 電子（移動できる）
電子やホールのように移動できる電荷担体をキャリア(Carrier)と呼ぶ。
p: Positive n: Negative
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pn接合の構造（１）
シリコンの中で、p型領域とn型領域が接したところをpn接合と呼ぶ
pn接合(pn junction)p型(p-type) n型(n-type)
pn接合の付近では、電子と
ホールがぶつかって再結合する（自由電子がホールを埋めて消える）
+
-
+
+
+
+
+
--
+
- -
-- -
-+
+
電子とホールが再結合した領域（空乏層）
電界E
電荷を持ったアクセプタとドナーが残るので内部電界Eが発生
SidxdE
0
( ）単位体積当たりの電荷
（ガウスの法則）
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pn接合の構造（２）
+
-
+
+
+
+
+
--
+
- -
-- -
-+
+電界E
内部電界が発生したので、内部電位VBが発生
電位V
位置x
p-type（電荷中性）
n-type（電荷中性）
Built-in Potential VB
n-type側が正電位になる。但し、電流は流れない。
dxEdVdxdVE
（内部電位 or 内蔵電位）
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エネルギーの単位
• 電子やホールのエネルギー単位は、ジュール(J)ではなく、エレクトロンボルト (eV) が使用されることが多い
eVは、-1Vの電位差だけ電子を移動させるのに必要な位置エネルギーで表される。
1 (eV) = (-1.60・10-19クーロン)×(-１V)
= 1.60・10-19 (J)
1V（電位差）
1eVのエネルギー差
電位差とeVの絶対値は同じ値！
ただし、表す物理量は異なる
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電子とホールのポテンシャルエネルギー
電位V
位置x
+－
ホールのポテンシャルエネルギー
位置x電子のポテンシャルエネルギー
位置x
ー ＋ff
移動方向
移動方向
1V
1eV
1eV
ホール電子
電子のエネルギー
ホールのエネルギー
電位
ホールのエネルギーは電位と同じ方向
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pn接合の電子・ホール分布
+
-
+
+
+
+
+
--
+
- -
-- -
-+
+電界E
ホールのエネルギー
位置
p-type n-type
Built-in Potential VB
室温(300K)では、
キャリアは、ポテンシャルエネルギーの低い領域に溜まっている。
電子のエネルギー
位置Built-in Potential VB
電子
ホール
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pn接合の電流-電圧特性（１）
順方向バイアス状態
（ドナー、アクセプタの表記は省略）
p-type n-typeVPN
電流I+
-
hole electron
ホールのエネルギー
位置VB-VPN
障壁が低くなり、キャリアが反対領域に流れ込む。
電子のエネルギー
位置VB-VPN
流れ込んで再結合する
流れ込んで再結合する
電流I
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pn接合の電流-電圧特性（２）
逆方向バイアス状態
（ドナー、アクセプタの表記は省略）
p-type n-typeVPN
+
-
hole electron
ホールのエネルギー
位置VB+VPN
障壁が高くなり、キャリアが反対領域に流れ込めない。
電子のエネルギー
位置VB+VPN
エネルギー障壁によりSTOP
I≒0
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pn接合の電流-電圧特性（３）
)1(
TkVq
SPN
PN
eII
k: ボルツマン定数（8.62・10-5 eV/K）q: 電子電荷(1.60・10-19 coulomb)IS: 飽和電流（A）
電圧 (V)
電流
(mA
)
0 1.0-1.0-2.0
10
20
-10~0.7V
順方向バイアス逆方向バイアス
電流-電圧特性モデル式
２．１．２ MOSFETの構造
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MOSトランジスタ（MOSFET）の構造
p
n
GateDrainSource
Body
n
p
GateDrainSource
Body
pn
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)
SiO2
poly-Si（金属）
Si
p-ch MOSFETn-ch MOSFETSymbol Symbol
ゲート酸化膜
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G, B電極の役割（１）
• ゲート電圧VGの印加によりゲートの下のSiO2/Si界面(MOS界面と呼ぶ)に電子が発生（チャネルと呼ぶ）し、ソース-ドレインの間を導通させる
p
n
Gate
DrainSource
Body
nVG
Channel
＋電子が発生してn型のように動作する
n-ch MOSFET
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G, B電極の役割（２）
• ゲート電圧VGの印加によりゲートの下のSiO2/Si界面(MOS界面と呼ぶ)にホールが発生（チャネルと呼ぶ）し、ソース-ドレインの間を導通させる
VG
Channel
ホールが発生してp型のように動作する
p-ch MOSFET
n
p
Gate
DrainSource
Body
pー
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D, S電極の役割（１）
• チャネルがない状態でソース-ドレインに電圧を加えるとDrainのpn接合が電流を妨げる
p
n
GateDrainSource
Body
n
n-ch MOSFET
VD電流は流れない
逆バイアスゼロバイアスまたは順バイアス
0(v)
0(v)
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D, S電極の役割（２）
• チャネルが発生した状態でソース-ドレインに電圧を加えると電子による電流が流れる
p
n
GateDrainSource
Body
nVG
＋
n-ch MOSFET
VD電流
電子の流れ
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D, S電極の役割（３）
• チャネルが発生した状態でソース-ドレインに電圧を加えるとホールによる電流が流れる
n
p
GateDrainSource
Body
pVG
ー
p-ch MOSFET
VD
電流
ホールの流れ
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電極名の由来
p
n
GateDrain
Body
n＋
【参考】 Transistor =Trans- resistor
水門 (Gate)
水源 (Source)Source
排水溝 (Drain)
水路 (Channel)
VD
VG
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電子・ホール分布による動作の理解（１）
p
n n
電子
エネル
ギー
電子エネルギー
位置
位置
ゼロバイアス状態
pn接合のBuilt-in Potentialが障壁になってS, D間は導通しない
SG
D
B
n-ch MOSFET
絶縁体が壁になっている
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電子・ホール分布による動作の理解（２）
p
n n電
子エネル
ギー
電子エネルギー
位置
位置
VD > 0
pn接合のBuilt-in Potentialが障壁が低くなってS, D間が導通
SG
D
B
VG > 0 VGの影響で電子が溜まった
n-ch MOSFET
電子の流れ（電流と逆向き）