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第６章　MOSFET（ MOSトランジスタ） 6.1 構造と動作の原理 　　今まで見てきたＭIＳダイオードのSiO２／Si界面に、図６－１に示すように基板半導体と逆の極性（p－Si基板ではｎ＋層）の層を２ケ所設けるとＭIＳ電界効果トランジスタ（金属－絶縁膜－半導体、電界効果トランジスタ、通常は絶縁膜にはSiの酸化膜（SiO２）が用いられ、その場合は MOSFET １）、もしくはMOSトランジスタと呼ばれる。）の構造が得られる。 　　今、MIS ダイオードの印加電圧がゼロ、すなわちゼロバイアスの状態では．（a）の左の図の様になる。また（ａ）の中央の図が、今まで見てきた MIS ダイオードのエネルギーバンド図であり、これは左端の実態図の中央のダイオード部分の表面から深さ方向に向けて示したものである。また（ａ）の右端は、この MOSトランジスタに対応する回路図表示である。ここでは、ソース部分（図参照）は接地され、ゲート（図参照）には可変電圧、Vapp（＞０）が加えられる。ドレイン部（図参照）にはドレイン電圧、VD（＞０で、非常に小さい）が加えられている。 　　この構造で、MIS ダイオードが反転領域に成るようにゲートに正の電圧が印加されると、前章で見た MIS ダイオードの場合とは異なって、今度はソース領域からただちに電子が供給される。（ダイオードの電気容量は低周波特性を示す。） 　　ここでは理想的な MIS ダイオードを仮定しているので（ａ）の様にダイオードに電圧の加わっていない場合はフラットバンド状態であり、ゲートの下のp－Siは中性（ｐp＝ｐp0≒ＮA）であり、ソースとドレインの間はｎ－ｐ－ｎ構造となっている。その為、ソースとドレインの間に、図の様に弱い電圧、VD＞０を印加しても、ドレイン近傍に逆バイアスされたｐ－ｎ接合が存在し、ソースとドレインの間には電流は流れない２）。 　　次に（ｂ）に示すように、MIS ダイオードに強い反転領域に入るような電圧（ψS≒２ψB）を印加すると、ダイオードのSiO２／Si界面は反転し、多数の電子がソースから供給されるため、ソースとドレインの間は実効的に、ｎ－ｎ－ｎ構造となり、VD＞０であるので３）、ドレインからソ－スに向けて電流が（電子流はソースからドレインに向けで）流れることになる。 　　この様な構造をｎ－チャンネル４）エンハンスメント型 MOSトランジスタと呼ぶ。また、基板をｎ－Siとし、ソース、ドレインの２つの拡散層をｐ＋とした場合は、伝導を担うものが正孔となり、ｎ－チャンネルの場合とちょうど電圧関係が逆になる。これをｐ－チャンネルエンハンスメント型MOSトランジスタと呼ぶ。 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― １）MOSFET : Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ２）ここではp－Siの領域は電子の拡散長よりも充分長く、バイポーラトランジスタとして動作しないものとしておく。即ち電子の拡散による電流は０としている。 ３）ここではVDは、ＭISダイオードの印加電圧に較べて充分低いものとする。VDが高くなると後で述べるピンチオフ状態などが出現する。 ４）反転領域がｎ－Siとして振る舞うのでｎ－チャンネルMOSFETと呼ぶ。基板をｎ－Siとした場合は反転層はｐ－Siとして振る舞うのでp－チャンネル MOSFET と呼ぶ。 　　またここでMISダイオードに電圧を印加する端子をゲートと呼び、すでに見たようにゲート電圧を制御することによりソ－ス－ドレイン間の電流を制御することが可能となっている。 電流が流れるための条件　　　（關値電圧：VTの算出） 　　図６－１で見たようにゲート電圧の変化でトランジスタをスイッチの様に、導通（Oｎ）状態にも非導通（Off）状態にも出来る。この導通から非導通、非導通から導通に切り換えるには、SiO2／Si界面を強い反転状態（ψS≒２ψB）にするかどうかで行える。 　　そのスイッチとしての切り換えに必要な、ゲートに印加する電圧、VGを、特にVTと記述し、これは次の様に表される。 式6－1 ここに VSiO2 は式５－35で与えられるので、CSiO2 ＝εSiO2／ｔSiO2 を援用して、 式6－2 と書ける。 　　このVTをターンオン（Turn－On）電圧、しきい値電圧（Threshold Voltage）と呼び、ゲート電圧がこの値を越えると MOS トランジスタは導通状態（On）となり、この電圧以下では非導通（Off）状態になる。そのためVTは MOS トランジスタの性質を知るための大切