電子回路Ⅰ
第4回
電子回路Ⅰ 5
1
講義内容
1. 半導体素子（ダイオードとトランジスタ）
2. 基本回路
3. 増幅回路
電界効果トランジスタ（FET）
・ 基本構造
・ 基本動作
動作原理
・ 静特性
電子回路Ⅰ 5
2
半導体素子（ダイオードとトランジスタ）
ダイオード（2端子素子）
トランジスタ（3端子素子）
・ バイポーラトランジスタ （Bipolar）
・ 電界効果トランジスタ （FET）
・ 接合形 （JFET）
・ MOS形（MOSFET）
電子回路Ⅰ 5
3
pn接合
pn接合
p
n
電子の数＜正孔の数 電子の数＞正孔の数
多数キャリア：正孔 多数キャリア：電子
少数キャリア：電子 少数キャリア：正孔
キャリア濃度差
拡散によりキャリアが移動
正孔
n
p
電子
電子回路Ⅰ 5
4
空乏層
※ アクセプタイオンやドナーイオンは
固定されており、移動できない。
-
p
アクセプタイオン
負電荷
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
電界
n
ドナーイオン
正電荷
接合面
p
n
空乏層
（キャリアがほとんど存在しない領域）
電子回路Ⅰ 5
5
pn接合とバイアス電圧
順方向電圧
空乏層
p
n
VF
逆方向電圧
空乏層
p
n
VR
電子回路Ⅰ 5
6
トランジスタ
バイポーラトランジスタ （Bipolar）
電界効果トランジスタ （FET）
・ 接合形 （JFET）
・ MOS形（MOSFET）
電子回路Ⅰ 5
7
バイポーラトランジスタの構造
npn型
pnp型
C
B
E
E
B
C
n
p
n
p
n
p
E
B
C
C
P
n+
B
E
p+ n+
p+
n+
n+
p+
n+
基板
電子回路Ⅰ 5
8
バイポーラトランジスタの構造
npn形トランジスタ
pnp形トランジスタ
pn接合pn接合
E
n
p
pn接合pn接合
n
C
E
B
p
n
C
p
B
不純物のドーズ量
不純物のドーズ量
N DE > N AB > N DC
N AE > N DB > N AC
ベースは非常に薄く形成される
ベースは非常に薄く形成される
電子回路Ⅰ 5
9
バイポーラトランジスタの基本動作
npn形トランジスタのバイアス
E
n
p
C
n
B
VF
BE間
順方向電圧
VR
CB間
逆方向電圧
電子回路Ⅰ 5
10
バイポーラトランジスタの基本動作
pnp形トランジスタのバイアス
E
p
n
C
p
B
VF
EB間
順方向電圧
VR
BC間
逆方向電圧
電子回路Ⅰ 5
11
バイポーラトランジスタの基本動作
npn形トランジスタの電流
E
n
IE
p
B
IC
IB
VF
BE間
順方向電圧
C
n
VR
CB間
逆方向電圧
I E = I B + IC
電子回路Ⅰ 5
12
バイポーラトランジスタのバイアス方法
ベース接地 （Common Base）
IE
IC
E
n
p
B
VBE
BE間
順方向電圧
C
n
IB
共通端子
VCB
CB間
逆方向電圧
電子回路Ⅰ 5
13
バイポーラトランジスタのバイアス方法
エミッタ接地 （Common Emitter）
VCE
IE
共通端子
IC
E
n
p
n
C
B
VBE < VCE ⇒ VCB < 0
CB間
逆方向電圧
VBE
BE間
順方向電圧
電子回路Ⅰ 5
14
バイポーラトランジスタの電流-電圧特性
IC
線形領域
飽和領域
IB ↑
VCE
0
電子回路Ⅰ 5
15
トランジスタ
バイポーラトランジスタ （Bipolar）
電界効果トランジスタ （FET）
・ 接合形 （JFET）
・ MOS形（MOSFET）
電子回路Ⅰ 5
16
電界効果トランジスタ（FET）
接合形（JFET）
pn接合
MOS形（MOSFET）
MOS構造
電子回路Ⅰ 5
17
JFETの構造
nチャネルJFET
S
pチャネルJFET
G
G
p
n
n
D
D
p
S
p
n
電子回路Ⅰ 5
18
MOSトランジスタの構造
NMOS
PMOS
S
G
D
D
G
S
N-well
n+
n+
p+
p+
N-well
p基板
電子回路Ⅰ 5
19
MOS構造
金属（Metal）
酸化膜（Oxide）
n
p
半導体（Semiconductor）
電子回路Ⅰ 5
20
電界効果トランジスタ（FET）
接合形（JFET）
pn接合
MOS形（MOSFET）
MOS構造
電子回路Ⅰ 5
21
JFETの構造
nチャネルJFET
S
pチャネルJFET
G
G
p
n
n
D
D
p
S
p
n
電子回路Ⅰ 5
22
JFETのバイアス
nチャネルJFET
逆方向
VSG
G
p
S
n
D
p
VDS
電子回路Ⅰ 5
23
JFETのバイアス
pチャネルJFET
逆方向
G
VGS
n
D
p
S
n
VSD
電子回路Ⅰ 5
24
JFETのバイアス
nチャネルJFET
VSG = 0
G
p
S
n
D
p
VDS
電子回路Ⅰ 5
25
JFETの動作
nチャネルJFET
VSG > 0
G
p
S
n
D
p
VDS
電子回路Ⅰ 5
26
JFETの動作
nチャネルJFET
VSG > 0
G
p
S
n
D
p
VDS
電子回路Ⅰ 5
27
JFETの動作
nチャネルJFET
VSG >> 0
G
ピンチオフ
p
S
n
D
p
VDS
電子回路Ⅰ 5
28
JFETの電流-電圧特性
I DS
ノーマリオン （Normally ON）
VGS
VP
0
ピンチオフ電圧 VP
電子回路Ⅰ 5
29
JFETの電流-電圧特性
I DS
線形領域
飽和領域
VGS = 0
VGS ↑
VGS = VP
0
電子回路Ⅰ 5
VDS
30
電界効果トランジスタ（FET）
接合形（JFET）
pn接合
MOS形（MOSFET）
MOS構造
電子回路Ⅰ 5
31
MOS構造
金属（Metal）
酸化膜（Oxide）
p
n
半導体（Semiconductor）
電子回路Ⅰ 5
32
MOS構造と印加電圧
tox
VG
酸化膜容量
Cox =
p
電子回路Ⅰ 5
ε ox
tox
=
ε 0ε SiO
2
tox
33
印加電圧と電荷
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
VG > 0
+Q
-Q
p
電子回路Ⅰ 5
34
反転層の形成
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
反転層
VG >> 0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
p
電子回路Ⅰ 5
35
MOSトランジスタの構造
NMOS
PMOS
S
G
D
D
G
S
N-well
N-well プロセス
n+
n+
p+
p+
N-well
p基板
電子回路Ⅰ 5
36
MOSトランジスタのバイアス
NMOS
VDS
VGS
G
S
D
n+
n+
p基板
電子回路Ⅰ 5
37
MOSトランジスタのバイアス
PMOS
VSD
VSG
G
D
S
p+
p+
n基板
電子回路Ⅰ 5
38
MOSトランジスタの動作
NMOS
VDS = 0
VGS
G
S
D
n+
n+
p基板
※ 空乏層は図示していない
電子回路Ⅰ 5
39
MOSトランジスタの動作
NMOS
VDS > 0
VGS
G
S
D
n+
n+
p基板
※ 空乏層は図示していない
電子回路Ⅰ 5
40
MOSトランジスタの動作
NMOS
VDS >> 0
VGS
G
S
D
n+
n+
p基板
※ 空乏層は図示していない
電子回路Ⅰ 5
41
MOSトランジスタの電流-電圧特性
エンハンスメント（Enhancement）形
デプレッション（Depletion）形
I DS
I DS
VTH
VGS
VGS
0
0
しきい電圧 VTH
ノーマリオフ （Normally OFF）
電子回路Ⅰ 5
ノーマリオン （Normally ON）
42
MOSFETの電流-電圧特性
I DS
線形領域
飽和領域
VGS ↑
VGS > 0
0
電子回路Ⅰ 5
VDS
43
MOSトランジスタのサイズパラメータ
L
W
S
LS
G
D
LD
トランジスタサイズパラメータ
・ ゲート長：L
・ ゲート幅：W
ソース／ドレイン面積
・ AS = W x LS
・ AD = W x LD
ソース／ドレイン周囲長
・ PS = W + 2 x LS
・ PD = W + 2 x LD
電子回路Ⅰ 5
44
MOSトランジスタのシンボル
NMOS
PMOS
電子回路Ⅰ 5
45
MOSトランジスタの特性 (NMOS)
I DS = µ nCox
IDS
G
W/L
D
S
VGS
I DS =
+
-
W ⎧
1 2 ⎫
⎨(VGS − VTHN )VDS − VDS ⎬
L ⎩
2
⎭
1
W
µ nCox (VGS − VTHN )2
2
L
VDS
I DS =
+
-
1
W
µnCox (VGS − VTHN )2 (1 + λVDS )
2
L
チャネル長変調効果
IDS
VDS = VGS - VTHN
線形領域
飽和領域
チャネル長変調
IDS
VGS
VTHN
VGS
VDS
電子回路Ⅰ 5
46
MOSトランジスタの特性 (PMOS)
I SD = µ p Cox
ISD
VSG
W/L
+
-
G
I SD =
S
D
+
-
W ⎧
1 2 ⎫
⎨(VSG − VTHP )VSD − VSD ⎬
L ⎩
2
⎭
1
W
µ p Cox (VSG − VTHP
2
L
VSD
I SD =
2
)
1
W
µ pCox (VSG − VTHP
2
L
2
) (1 + λV )
SD
チャネル長変調効果
ISD
VSD = VSG - |VTHP|
線形領域
飽和領域
チャネル長変調
ISD
VSG
|VTHP|
VSG
VSD
電子回路Ⅰ 5
47
基板バイアス効果 (NMOS)
IDS
VDS = const
IDS
D
G
W/L
M1
VGS
VBS = 0
+
-
B
S
+
-
VBS < 0
VDS
基板バイアス効果
+
VBS
VTH0
(
+γ (
VGS
VTH = VTH 0 + γ
2Φ F + VSB − 2Φ F
= VTH 0
2Φ F − VBS − 2Φ F
IDS
VDS = const
V’TH
)
)
VGS = const
VDS = VGS - VTHN
1
W
µ nCox (VGS − VTH )2
2
L
1
W
= µ nCox
VGS − VTH 0 − γ
2
L
I DS =
{
VBS1
(
2Φ F − VBS − 2Φ F
)}
2
VBS
電子回路Ⅰ 5
48
MOSトランジスタの特性計算例
IDS
W/L = 10µm / 0.5µm
G
VGS
+
-
D
M1
+
-
VDS
S
* NMOS Transistor (0.5um Process) IDS-VDS Characteristics
VGS G 0 DC 2
VDS D 0 DC 5
M1 D G 0 0 nch L=0.5um W=10um
.MODEL nch NMOS LEVEL=1 VTO=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9 NSUB=9E+14
+ LD=0.08E-6 UO=350 LAMBDA=0.1 TOX=9E-9 PB=0.9 CJ=0.56E-3
+ CJSW=0.35E-11 MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4E-9 JS=1.0E-8
.DC VDS 0 5 0.1 VGS 0 5 1
.PROBE
.END
電子回路Ⅰ 5
49
MOSトランジスタのモデルパラメータ例
0.5-µm CMOS
NMOS
LEVEL=1 VTO=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9
NSUB=9E+14 LD=0.08E-6 UO=350 LAMBDA=0.1
TOX=9E-9 PB=0.9 CJ=0.56E-3 CJSW=0.35E-11
MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4E-9 JS=1.0E-8
PMOS
LEVEL=1 VTO=-0.8 GAMMA=0.4 PHI=0.8
NSUB=5E+14 LD=0.09E-6 UO=100 LAMBDA=0.2
TOX=9E-9 PB=0.9 CJ=0.94E-3 CJSW=0.32E-11
MJ=0.5 MJSW=0.3 CGDO=0.3E-9 JS=0.5E-8 ※「アナログCMOS集積回路の設計 基礎編」、B.Razavi(著)、黒田忠広(監訳)、丸善
第2章 表2.1 より
電子回路Ⅰ 5
50
MOSトランジスタ直流特性の概要
I DS ≈ µ nCox
W
(VGS − VTHN )VDS
L
I DS =
1
W
µ nCox (VGS − VTHN )2
2
L
VDS << 2(VGS - VTHN)
IDS
VDS = VGS - VTHN
線形領域
飽和領域
VGS
VDS
電子回路Ⅰ 5
51
大信号動作と小信号動作
IDS
IDS
VGS
VGS
飽和領域で動作
動作点（OP）
動作範囲
動作範囲
VDS
VDS
デジタル
アナログ
非線形動作
動作点のまわりの領域
非線形 → 線形近似
電子回路Ⅰ 5
52
大信号等価回路と小信号動作回路
大信号
非線形動作
小信号
動作点のまわりの領域
非線形 → 線形近似
小信号パラメータ
直流成分 ＋ 微小変化分
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