MOSFETドレイン電流（I–V特性）計算ツール
要点
長チャネル MOSFET のドレイン電流は、線形領域で β[(VGS−Vth)VDS − VDS²/2]、飽和領域で β/2·(VGS−Vth)² となり、β = μCoxW/L です。VDS が VGS−Vth を超えるとピンチオフで電流がほぼ一定になり、チャネル長変調 λ の分だけわずかに増えます。オフ電流はサブスレッショルド係数で決まり、室温の理論限界は 60 mV/dec です。
入力
ドレイン電流 ID1.485mA
動作領域飽和領域
飽和電圧 VDS,sat = VGS − Vth1.000V
相互コンダクタンス gm2.97mS
出力抵抗 ro14.48kΩ
真性利得 gm·ro43.0
電流駆動係数 β = μCoxW/L2.763mA/V²
オフ電流 Ioff（VGS=0V）5.62×10⁻¹³A
長チャネルの2乗則です。チャネル長が0.1µm程度より短いと速度飽和で電流が (VGS−Vth)² ではなく (VGS−Vth)¹ に近い依存になり、この式は電流を過大に見積もります。オフ電流は Vth を「ID = 100nA×W/L となるゲート電圧」と定義した場合の推定です。
ID–VDS 特性
サブスレッショルド係数とオフ電流
| S | Ioff | 幅あたり |
|---|---|---|
| 60 mV/dec | 4.64×10⁻¹⁵ A | 4.64×10⁻¹⁰ A/µm |
| 70 mV/dec | 7.20×10⁻¹⁴ A | 7.20×10⁻⁹ A/µm |
| 80 mV/dec | 5.62×10⁻¹³ A | 5.62×10⁻⁸ A/µm |
| 90 mV/dec | 2.78×10⁻¹² A | 2.78×10⁻⁷ A/µm |
| 100 mV/dec | 1.00×10⁻¹¹ A | 1.00×10⁻⁶ A/µm |
線形領域と飽和領域
ゲート電圧がしきい値を超えるとチャネルに反転層ができ、ドレイン電圧が小さいうちは電流が電圧にほぼ比例します（線形領域）。ドレイン電圧が VGS−Vth に達するとドレイン端で反転層が消える「ピンチオフ」が起き、それ以上電圧を上げても電流はほぼ一定になります（飽和領域）。アナログ回路の増幅は飽和領域、デジタル回路のスイッチのオン状態は線形領域を使います。
飽和領域でも電流がわずかに増え続けるのは、ピンチオフ点がソース側へ移って実効チャネル長が縮むためで、これをチャネル長変調（λ）と呼びます。λはチャネル長が短いほど大きく、出力抵抗と真性利得 gm·ro を下げます。微細化でアナログ回路の設計が難しくなる理由の一つです。