Transcript 第9回講義資料

9．ＦＥＴ
（電界効果型トランジスタ）
接合形ＦＥＴと絶縁ゲート形ＦＥＴ
ＦＥＴとは、電界効果型トランジスタの略。
電極は、ソース（Ｓ）、ドレイン（Ｄ）、ゲート（Ｇ）と呼ぶ。
記号の矢印はゲートからソース、ドレインを見た時のＰＮ接合をダイオードと
見たて、その順方向に矢印を書く。
D
D
D
MOSトランジスタという。
G
P N P
SiO2
S
S
G
N
G
金属
N
D
S
P
半導体
G
S
いままでのトランジスタをバイポーラトランジスタという。
2
ＭＯＳトランジスタの種類
Nチャネル形
エンハンスメント形
デプレション形
N
N
N
N
P
P
N
Ｐチャネル形
P
P
N
P
P
N
不純物を拡散
P
3
ＭＯＳトランジスタの記号
エンハンスメント形
デプレション形
Nチャネル形
Ｐチャネル形
4
ＭＯＳＦＥＴの動作（1）



ドレイン・ソース間に電圧を加える。
両電極が空乏層でおおわれ、電流は流れない。
ゲートにプラスの電圧 VGS を加える。
 ゲート付近のＰ形半導体中の電子が引きつけられ、ソー
スからドレインまで電子が存在することで、電流が流れる。
 これを反転層と呼ぶ。
G
VGS
D
S
N
N
P
5
ＭＯＳＦＥＴの動作（2）


ゲート電圧 VGS が大きくなるほど、多くの電子が引き寄せさ
れ、反転層の幅が広がる。
ある程度以上、電圧VDSを大きくすると、電流が増加しなくな
る（飽和状態）。
VGS
ID
G
ID
D
S
N
N
P
VDS
VDS
6
ＭＯＳＦＥＴの特性
 VGS が大きいほど、反転層の幅が広いので、飽和状態時の
電流値も大きくなる。
VGS：大
ID
ID
VGS：小
VDS
VGS
7
デプレッション形ＭＯＳＦＥＴ（1）




ゲート付近にＮ形の不純物が拡散されている。
VGS が0Vでも、ソースからドレインにＮ形不純物半導体がつながっている
ので、電流 I D が流れる。
VDS が増加すると、電流も増える。
VDS がある程度以上になると、飽和状態になる。
VGS
G
ID
D
S
N
Ｎ
P
N
VDS
8
デプレッション形ＭＯＳＦＥＴ（2）


VGS  0 でも I Dが流れているので、 I が減少する方向のゲート電圧を加
D
えて使用する。
電圧 VGS が負方向に増加していくと、ゲート付近のＮ形不純物中の電子
がＰ形半導体中に追いやられ、その分だけキャリアが減少して、電流が流
れにくくなる。
ID
VGS
G
D
S
N
Ｎ
N
P
VGS
VDS
9
P型MOSFET
これまでの説明は、N型MOSFET。
 P型MOSFETは、極性が逆になるだけ。

10
ディジタル回路と
MOSトランジスタ
論理演算
ディジタル回路における基本的な演算は論理
演算。
 基本論理演算には、否定（NOT)、
論理積（AND)、論理和（OR)がある。
 ほとんどの回路は、この３つの基本論理の
組み合わせで実現できる。
 これらを論理ゲートという。
 論理における真（TRUE)は論理値1、論理に
おける偽（FALSE)は論理値0で表す。

12
論理否定


否定は、論理値の真（TRUE)を偽（FALSE)に、
論理値の偽（FALSE)を真（TRUE)に反転する。
入力論理の反転を実現する論理ゲートを
インバータという。
論理式　Y  A
シンボル
A
Y
A
0
1
Y
真理値表
13
論理積



論理積は、すべての入力論理がTRUEの時に出
力論理がTRUEになる。
一つでも入力論理にFALSEがあると、出力論理
はFALSEにある。
論理積を実現する論理ゲートをANDゲートという。
論理式　Y  A  B
シンボル
A
B
Y
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
真理値表
Y
14
論理積否定


論理積否定は、論理積（AND)を否定（反転）しま
す。
論理積否定を実現する論理ゲートを
NANDゲートという。
論理式　Y  A  B
シンボル
A
B
Y
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
真理値表
Y
15
論理和



論理和（OR)は、１つでも入力論理にTRUEがあ
る時に出力論理がTRUEになる。
すべての入力論理にFALSEがあると、出力論理
はFALSEにある。
論理和を実現する論理ゲートをORゲートという。
論理式　Y  A  B
シンボル
A
B
Y
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
真理値表
Y
16
論理和否定


論理和否定は、論理和の否定（反転）。
論理和否定を実現する論理ゲートをNORゲート
という。
論理式　Y  A  B
シンボル
A
B
Y
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
真理値表
Y
17
MOS電界効果トランジスタ
（MOSFET)
・MOS・・・絶縁ゲート型
・MOS構造の両側にキャリアを供給するソースと
キャリアを取り出すドレインがあり、ゲート電圧で電流を制御。
・N(P)チャネルMOSトランジスタ
P(N)型半導体基板上にN(P)形のソースとドレインを形成
したトランジスタ。
N-MOSFETのゲートに正電圧を
印加していくと、p型Si表面には
n
電子が誘起され、n型反転層が
ソース
出来る。これをチャネルという。
この結果、ソースとドレインが接続
P型Si
され、電流が流れる。
Si表面に反転層を形成するのに
必要なゲート電圧をしきい値電圧という。
ゲート
チャネル
ゲート酸化膜
ドレイン
n
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NMOSトランジスタの動作原理
Vdd
Vdd
Vss
+++++ + +

オン時
-- - -- - - - - -
N型
N型
P型

オフ時
Vss
Vss
Vdd
-- - -- - - - - -
N型
+ + ++ + + +
N型
P型
19
CMOS論理ゲート

NANDゲート
 PMOSトランジスタを並列に、
NMOSをトランジスタを直列
に接続。
20
CMOS論理ゲート

NORゲート
 NANDゲートの逆
 PMOSトランジスタ
が直列に、NMOSト
ランジスタが並列に
接続。
21
なぜLSIにCMOSが使われるか？



CMOSトランジスタは、LSIの主流。
80年代はバイポーラトランジスタが使われていた。
MOSトランジスタは、バイポーラトランジスタに比べ、
 スピードが遅い。
 消費電力が少ない。


CMOSトランジスタは、片方のトランジスタが必ず
OFFしており、さらに消費電力が少ない。
高集積化のためには、低消費電力が最も重要。
22