枯渇型IGFET

絶縁ゲート電界効果トランジスタは、JFETと同じようにユニポーラデバイスです。つまり、制御された電流がPN接合を通過する必要はありません。トランジスタの内部にはPN接合がありますが、その唯一の目的は、チャネルを流れる電流を制限するために使用される非導電性の空乏領域を提供することです。

回路図記号と物理図

これは、「空乏」タイプのNチャネルIGFETの図です。

ソースリードとドレインリードがNチャネルの両端にどのように接続されているか、およびゲートリードが薄い絶縁バリアによってチャネルから分離された金属プレートにどのように接続されているかに注目してください。その障壁は、非常に優れた絶縁体である二酸化ケイ素（砂に含まれる主要な化合物）から作られることがあります。この金属（ゲート）-酸化物（バリア）-半導体（チャネル）構造により、IGFETはMOSFETと呼ばれることもあります。ただし、他のタイプのIGFET構造もあるため、この一般的なクラスのトランジスタには「IGFET」の方が優れた記述子です。

IGFETへの接続が4つあることにも注意してください。実際には、基板リードはソースリードに直接接続され、2つを電気的に共通にします。通常、この接続はIGFETの内部で行われ、個別の基板接続が不要になるため、回路図記号がわずかに異なる3端子デバイスになります。

ソースと基板が互いに共通しているため、IGFETのN層とP層は、外部ワイヤを介して互いに直接接続されます。この接続により、PN接合に電圧が印加されるのを防ぎます。その結果、2つの材料の間に空乏領域が存在しますが、それを拡大または縮小することはできません。 JFETの動作は、PN接合の空乏領域の拡大に基づいていますが、ここではIGFETでは発生しないため、IGFETの動作は別の効果に基づいている必要があります。

実際、ゲートとソースの間に制御電圧が印加されると、空乏領域がゲートに近づいたり遠ざかったりする結果として、チャネルの導電率が変化します。つまり、チャネルの有効幅はJFETの場合と同じように変化しますが、このチャネル幅の変化は、空乏領域の拡大ではなく、空乏領域の変位によるものです。

NチャネルIGFET

NチャネルIGFETでは、ゲートに正（+）、ソースに負（-）に印加さ​​れる制御電圧は、PN接合の空乏領域をはじき、N型チャネルを拡張し、導電率を高める効果があります。

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制御電圧の極性を逆にすると、逆の効果があり、空乏領域が引き付けられてチャネルが狭くなり、その結果、チャネルの導電率が低下します。

絶縁ゲートにより、JFETの場合のように、接合を順方向にバイアスする危険なしに、任意の極性の電圧を制御できます。このタイプのIGFETは、「デプレッションタイプ」と呼ばれますが、実際には、チャネルを空にする（チャネルを狭くする）か、拡張する（チャネルを拡張する）ことができます。入力電圧の極性によって、チャネルが影響を受ける方向が決まります。

どの極性がどの効果を持っているかを理解することは、見た目ほど難しくはありません。重要なのは、チャネルで使用される半導体ドーピングのタイプ（NチャネルまたはPチャネル？）を検討し、そのドーピングタイプをソースリードによってチャネルに接続された入力電圧源の側に関連付けることです。 IGFETがNチャネルであり、正（+）側がゲートにあり、負（-）側がソースにあるように入力電圧が接続されている場合、余分な電子が誘電体バリアのチャネル側。 「負（-）はNタイプと相関しているため、適切なタイプの電荷キャリア（電子）でチャネルを強化し、導電性を高めます」と考えてください。逆に、入力電圧が逆にNチャネルIGFETに接続されている場合、負（-）はゲートに接続し、正（+）はソースに接続すると、自由電子はチャネルから「奪われる」ようになります。ゲートチャネルコンデンサが充電されるため、多数の電荷キャリアのチャネルが使い果たされ、導電性が低下します。

PチャネルIGFET

PチャネルIGFETの場合、入力電圧の極性とチャネル効果は同じ規則に従います。つまり、枯渇または強化するには、NチャネルIGFETとは正反対の極性が必要です。

標準のIGFET記号を使用した適切なバイアス極性の説明：

ゲートとソースの間にゼロ電圧が印加されると、IGFETはソースとドレインの間に電流を流しますが、適切なゲート電圧によって増強された場合ほど多くの電流は流れません。これにより、空乏型、または単にD型のIGFETが、トランジスタの世界で独自のカテゴリに分類されます。バイポーラ接合トランジスタは通常はオフのデバイスです。ベース電流がないため、コレクタを流れる電流をブロックします。接合型電界効果トランジスタは通常オンのデバイスです。ゲートからソースへの電圧がゼロの場合、最大のドレイン電流が可能になります（実際、ゲートとソースの間に非常に小さな順バイアス電圧を印加することで、JFETをより大きなドレイン電流に誘導できます。ソースですが、壊れやすいPN接合を損傷するリスクがあるため、実際にはこれを行わないでください）。ただし、DタイプIGFETは通常、ハーフオンデバイスです。ゲート-ソース間電圧がないため、導通レベルはカットオフと完全飽和の間のどこかになります。また、あらゆる極性のゲート-ソース間電圧の印加に耐え、PN接合は絶縁バリアによる損傷の影響を受けず、特にソースと基板間の直接接続により、接合間の電圧差を防ぎます。

皮肉なことに、D型IGFETの伝導挙動は、三極管/四極管/五極管の種類の電子管の伝導挙動と非常に似ています。これらのデバイスは、電圧制御された電流レギュレータであり、同様に、ゼロの制御電圧が印加された状態でデバイスに電流を流すことができました。一方の極性（グリッドの負とカソードの正）の制御電圧はチューブの導電率を低下させ、もう一方の極性（グリッドの正とカソードの負）の電圧は導電率を向上させます。発明された後のトランジスタ設計の1つが、最初のアクティブ（電子）デバイスと同じ基本特性を示すのは不思議です。

DタイプIGFETのSPICEシミュレーション

いくつかのSPICE分析は、DタイプIGFETの電流調整動作を示します。まず、入力電圧がゼロ（ゲートがソースに短絡）で、電源が0〜50ボルトに掃引されたテスト。グラフはドレイン電流を示しています：

nチャネルigfet特性曲線m11 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto =-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i（vammeter）.end

どのトランジスタでも予想されるように、制御された電流は、広範囲の電源電圧にわたって安定化された値で安定しています。この場合、その調整されたポイントは10 µA（1.000E-05アンペア）です。次に、（ソースを基準にして）ゲートに負の電圧を印加し、0〜50ボルトの同じ範囲で電源を掃引するとどうなるかを見てみましょう。

nチャネルigfet特性曲線m11 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto =-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i（vammeter）.end

当然のことながら、ドレイン電流は2.5 µAの低い値に調整されています（入力電圧がゼロの場合の10 µAから減少）。次に、IGFETを強化するために、他の極性の入力電圧を印加してみましょう。

nチャネルigfet特性曲線m11 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto =-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i（vammeter）.end

トランジスタが小さな制御電圧によって強化されたため、ドレイン電流は22.5 µA（2.250E-05アンペア）の増加値になりました。これらの3セットの電圧と電流の数値から、ドレイン電流とゲート-ソース間電圧の関係は、JFETの場合と同様に非線形であることが明らかです。 1/2ボルトの空乏電圧では、ドレイン電流は2.5 µAです。入力が0ボルトの場合、ドレイン電流は最大10 µAになります。また、1/2ボルトの増強電圧では、電流は22.5 µAになります。この非線形性をよりよく理解するために、SPICEを使用して、入力電圧値の範囲にわたってドレイン電流をプロットし、負（枯渇）の数値から正（増強）の数値にスイープし、V1の電源電圧を定数値：

nチャネルigfetm1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 dc 24 .model mod1 nmos vto =-1 .dc vin -1 1 0.1 .plot dc i（vammeter）.end

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JFETの場合と同様に、IGFETのこの固有の非線形性は、入力信号が出力で100％の精度で再現されないため、増幅器回路に歪みを引き起こす可能性があります。また、空乏化方向に約1ボルトのゲート-ソース間電圧がチャネルをピンチオフできるため、ドレイン電流が実質的にないことに注意してください。 JFETのようなDタイプIGFETには、特定のピンチオフ電圧定格があります。この定格はトランジスタの正確な固有性によって異なり、ここでのシミュレーションと同じではない場合があります。

IGFETの特性曲線

IGFETの一連の特性曲線をプロットすると、JFETのパターンと変わらないパターンが見られます。

関連ワークシート：

• 絶縁ゲート電界効果トランジスタワークシート