MOSFETの遮断領域・線形領域・飽和領域の違い：条件・電流の式・用途を比較
MOSFETの動作は、ゲート-ソース間電圧VGSとドレイン-ソース間電圧VDSによって3つの領域に分かれます。遮断領域では、VGSがしきい値電圧Vthより低くチャネルができないので、電流はほとんど流れません。線形領域(三極管領域)では、チャネルがソースからドレインまでつながり、ゲート電圧で値の変わる抵抗のように振る舞います。飽和領域では、チャネルがドレイン端でピンチオフし、電流がVDSにほとんどよらずVGSで決まるので、増幅や電流源に使います。なお、バイポーラトランジスタの「飽和」はスイッチのオンにあたる別の状態なので、同じ言葉でも意味が違う点に注意が必要です。
| 項目 | 遮断領域 | 線形領域(三極管領域) | 飽和領域 |
|---|---|---|---|
| 条件(nMOS) | VGS < Vth | VGS > VthかつVDS < VGS − Vth | VGS > VthかつVDS ≥ VGS − Vth |
| チャネルの状態 | 反転層ができない(弱い反転だけ) | ソースからドレインまで反転層がつながる | ドレイン端で反転層が消える(ピンチオフ) |
| ドレイン電流の式(長チャネル) | ID ≈ 0。実際にはサブスレッショルド電流がVGSとともに指数関数的に増える | ID = μCox(W/L)[(VGS − Vth)VDS − VDS²/2] | ID = (1/2)μCox(W/L)(VGS − Vth)²。チャネル長変調を入れると(1 + λVDS)倍 |
| 電流の振る舞い | オフ。サブスレッショルドスイングの下限は室温で理論上約60 mV/桁 | VDSが小さいとIDはVDSにほぼ比例し、VDSが大きくなるにつれて傾きが小さくなる | IDはVDSにほとんどよらず、(VGS − Vth)の2乗に比例する |
| 小信号での見え方 | ほぼ開放 | VDSが小さいとき、オン抵抗Ron ≈ 1/[μCox(W/L)(VGS − Vth)]の抵抗 | 相互コンダクタンスgm = 2ID/(VGS − Vth)の電圧制御電流源。出力抵抗はro ≈ 1/(λID) |
| 数値の例(μCox(W/L) = 2 mA/V²、Vth = 0.5 V) | VGS = 0.3 Vなら遮断(式の上ではID = 0) | VGS = 1.0 V、VDS = 0.1 VでID = 90 µA。VDSが0に近いときのオン抵抗は約1 kΩ | VGS = 1.0 V、VDS ≥ 0.5 VでID = 250 µA(λ = 0として)。gm = 1 mS |
| 主な使い方 | スイッチのオフ。デジタル回路でオフになっている側のトランジスタ | スイッチのオン(デジタル回路のオン側、アナログスイッチ、導通中のパワーMOSFET)、可変抵抗 | 増幅回路、電流源、カレントミラー回路 |
| バイポーラトランジスタで対応する領域 | 遮断領域(呼び方も同じ) | 飽和領域(スイッチのオン) | 能動領域(増幅に使う) |
| 短チャネルでの違い | DIBLでしきい値電圧が下がり、オフ電流が増える | 移動度の低下や寄生抵抗で、電流が式より小さくなる | 速度飽和により低いVDSで電流が飽和し、(VGS − Vth)への依存が1乗に近づく |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。