MOSFETの動作原理の基本

質問

お世話になります。MOSFETの動作原理の基本について。

反転層が形成される（即ちチャンネルが形成される）まではＤ－Ｓ間の導通はない、というのが基本的前提でしょうけれども、これがなぜなのか、ということなのです。

Nchエンハンスメントとします。
教科書的には次のように書かれています。
（１）ゲート電圧<<VT（スレッショールド電圧）では、Ｄ－Ｓ間にはＰＮ接合逆バイアスがあるから導通無し。（これは疑問無し）
（２）ゲート電圧がもう少し上がって　<VT。Ｄ－Ｓ間には空乏層ができるだけで、導通無し。（ここがわからないところなのです）
（３）ゲート電圧>VTで、チャンネル形成、Ｄ－Ｓ間導通有り（ここはわかるつもり）

反転層の電子は空乏層で生成される少数キャリアをかき集めてきたものだと定性的に理解していいのですよね？そういうことにしますと、

反転層形成に至らないゲート電圧で空乏層ができている状態では、ゲート近傍のバンドは歪んでいるから、少数キャリア（電子）はある程度はゲート近傍にふらふらとよって来ていると考えます。たとえ寄ってこなくても、Ｄ－Ｓ間を結ぶ空乏層全域に多少の少数キャリアが有る以上、このような状況ではＤとＳ間には多少とも導通はあるはずでは？
ゲート直下でフェルミレベルと真性フェルミレベルとが交叉した瞬間（つまり反転層ができた瞬間）突然導通があるというのはなぜだろう？そこに至るちょっと前のゲート電圧でも、空乏層の厚さは殆ど同じだからＤ－Ｓ間に存在する少数キャリアの数も殆ど同じはずで、導通の変化も漸増的なものとしか思えない。何が突然変わるのだろうか？

という疑問です。わかりにくくて済みません。。

回答No.1

gandhi- · ベストアンサー

MOSFET専門ではないですが、私の知っている範囲でお答えします。

まず、ゲート電圧<VTでもS-Dに導通はあります。

しかし、反転層を形成したとき（オン時）に比べると、
何桁も小さいので通常の使用では完全に無視できます。
このため教科書には電流0、と書かれているのでしょう。
電流0というのはあくまで理論上で、実際に実現するには
開放してしまうのが一番かとf^_^;

この閾値電圧以下の領域は、サブスレッショルド領域と
呼ばれています。ドレイン電流はゲート電圧に対し、
指数関数的に変化し、一般にLogプロットで議論します。
サブスレッショルド係数Sなんてもので評価したりします。

余談ですが、
＞反転層の電子は空乏層で生成される少数キャリアをかき集めて・・・
その通りです、単純なMOSキャパシター構造であれば、これで正しいです。
しかし、S,D電極を持つMOSFETになると、S側から電子が供給されます。
熱的に空乏層で生成されるキャリアが溜まるのを待っていたら、
残念ながらSiMOSFETでペンティアムはできていませんf^_^;

お礼

どうもありがとうございます。

「この閾値電圧以下の領域は、サブスレッショルド領域と
呼ばれています。ドレイン電流はゲート電圧に対し、
指数関数的に変化し、一般にLogプロットで議論します。」
→やはりそうですか。実際のデータシートを見ても、このへんはｌｏｇ特性ですね。
フェルミレベルと真正フェルミレベルと交叉するとしないとで物事がはっきり不連続に遷移する、なんて変ですものね。

「熱的に空乏層で生成されるキャリアが溜まるのを待っていたら、
残念ながらSiMOSFETでペンティアムはできていませんf^_^;」
→ですよね。かき集めている時間はないはずだとは思いましたが。Ｓから供給される、なるほど。