ディプレッション型IGFETの理解：設計、動作、SPICE解析

絶縁ゲート電界効果トランジスタ（IGFET）はJFETと同様に単極性デバイスです：制御電流は単一タイプの半導体内を完全に流れるため、電流がPN接合を横切ることはありません。

デバイス内部には、チャネルを通る電流を制限する非導通枯渇領域を形成するためだけにPN接合が存在します。この接合自体は決して電流を流しません。

回路図シンボルと物理図

以下はディプレッション型NチャネルIGFETの回路図です：

ソースとドレインリードがNチャネルの両端に接続され、ゲートが薄い絶縁バリア（一般的に二酸化ケイ素、砂の主成分）で分離された金属プレートに接続されていることに注目してください。このMetal-Oxide-Semiconductor（MOS）構造が、多くのIGFETをMOSFETと呼ぶ理由ですが、「IGFET」の方が絶縁ゲートデバイスのクラス全体をより適切に表します。

現代のIGFETは通常、基板を内部でソースに接続し、3端子デバイスとしています。以下の回路図はこの一般的な構成を反映しています：

基板とソースが電気的に共通であるため、内部PN接合に電圧を印加できません。したがって、枯渇領域をJFETのように拡大/収縮させることはできません；代わりに、IGFETの動作はその枯渇領域のゲート相対的な変位に依存します。

NチャネルIGFET

ソースに対してゲートに正電圧を印加すると、枯渇領域が反発され、N型チャネルが拡大し導電率が上昇します：

極性を反転させると枯渇領域が引き寄せられ、チャネルが狭まり導電率が低下します：

絶縁ゲートにより、内部接合の順方向バイアスリスクなしに、制御電圧のいずれの極性も許容されます—これはJFETを制限する懸念事項です。「ディプレッション型」とラベル付けされていますが、ゲート-ソース電圧極性に応じてデバイスはディプレッション（チャネル狭小化）またはエンハンスメント（チャネル拡大）のいずれにもなり得ます。

効果を予測するには、チャネルの半導体ドーピング（NまたはP型）とソース電圧の符号を一致させます。Nチャネルデバイスの場合、正のゲートと負のソースで誘電体のチャネル側に電子が蓄積しチャネルがエンハンスされます。極性が反転するとチャネルから電子が除去され、ディプレッションされ導電率が低下します。

PチャネルIGFET

Pチャネルデバイスも同じ原理に従いますが、必要な極性は反転します。以下の画像でバイアスを示します：

ゲート-ソース電圧ゼロでは、ディプレッション型IGFETはソースとドレイン間で導通しますが、フル容量ではありません—バイポーラトランジスタがノーマリオフ、JFETがノーマリオンであるのとは異なります。実質的にハーフオンデバイスとして振る舞います。

ゲートが絶縁されているため、IGFETは任意の極性のゲート-ソース電圧を許容します。PN接合は保護され、直接的なソース-基板接続により接合両端の電圧差が防止されます。

注目すべきことに、D型IGFETの導電挙動は初期真空管に似ており、グリッド電圧がカソードとアノード間の電子流れを抑制または増強できました。

D型IGFETのSPICEシミュレーション

以下のSPICE実行は、ディプレッション型IGFETの電流調整特性を示します。

まず、ゲートをソースに短絡（0 V）し、供給電圧を0 Vから50 Vまでスイープすると、ドレイン電流は全範囲で10 µAに一定化します：

n-channel igfet characteristic curve m1 1 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 

ゲートに–0.5 Vの負電圧を印加して供給電圧を再スイープすると、制御ドレイン電流が2.5 µAに減少します：

n-channel igfet characteristic curve m1 1 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 

逆に、ゲートに+0.5 Vの正電圧を印加すると電流が22.5 µAに増加します：

n-channel igfet characteristic curve m1 1 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 

これらの結果は、ゲート-ソース電圧とドレイン電流の非線形関係を確認し、JFETで見られるものと類似しています。約–1 Vのディプレッション電圧でチャネルをピンチオフし、ドレイン電流を実質的にゼロにできます。正確なピンチオフ電圧は各デバイスの仕様により異なります。

IGFETの特性曲線

異なるゲート電圧での複数の特性曲線をプロットすると、JFETの曲線ファミリに類似したパターンが得られます：

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