MOSFETバイアスと平方則モデルの限界

しきい値は使用可能電流の定格ではない

MOSFETゲートは電界でチャネルを制御します。理想DCゲート電流は0ですが、実漏れとゲート容量は残ります。しきい電圧はモデル定義の導通開始で、低オン抵抗や特定の使用可能ドレイン電流を保証しません。アナログバイアスと電力スイッチには異なるデバイス情報が必要です。

教育用の長チャネルNMOS平方則を使います。飽和で$I_D=k(V_{GS}-V_T)^2/2$、$V_{DS}\geq V_{GS}-V_T$です。この計算ではチャネル長変調とボディ効果を無視します。k = 2 mA/V²、VT = 1 V、ソース接地、ゲート2 Vならオーバードライブ1 V、ID = 1 mAです。

数値で領域を検査する

ドレインを2 kΩ経由で5 Vへ接続すると電圧3 Vで、VDS = 3 Vはオーバードライブ1 Vを超えます。飽和の仮定が一致します。ここでの「飽和」はアナログMOSFETの電流源領域で、BJT飽和やオペアンプの出力限界クリップと同じ意味ではありません。

モデルの$g_m=k(V_{GS}-V_T)=2$ mSです。出力抵抗と外部負荷を無視すると共通ソース利得は約$-g_mR_D=-4$です。ゲート10 mVの変化は3 V周りで約−40 mVのドレイン変化を生みます。この微分は局所的で、大きなゲート掃引は表しません。

無効な仮定を見つける

RDを4.7 kΩにし同じ1 mAを仮定すると、ドレイン電圧0.3 Vでオーバードライブ1 V未満です。飽和式は自己整合しません。不可能な動作点を採用せず、トライオード領域モデルで解き直します。

現代の短チャネルやディスクリート電力MOSFETには、平方則より豊かなモデルが必要なことが多いです。デバイス設計では実伝達曲線、温度動作、容量、SPICEモデル資料を使います。教材の数値はモデル選択と整合性を教えるもので、後のセンサ総合課題の部品を指定するものではありません。