電子デバイス／半導体集積回路
６．ＩＧＦＥＴを用いたスイッチング回路
ＩＧＦＥＴに負荷抵抗をつないだ図６－１に示す回路はＩＧＦＥＴの章でも示していますが、その動作を説明しましょう。ＩＧＦＥＴのソース－ドレイン間電流とドレイン電圧の関係も説明したことがありますが、図６－１の右側のグラフのようになります。この図の横軸がドレイン電圧Ｖｄｓ（ドレイン電極とソース電極（＝グランド）間の電圧のことです）、縦軸がソース－ドレイン間電流Ｉｄｓです。特性はゲート電圧Ｖｇを４種類変えた場合を示しています。
図の電圧と電流の値は仮想的なものですが、実際のＩＧＦＥＴからそれほどかけ離れてはいないはずです。例えばＶｇ＝３Ｖのときの特性を見て下さい。Ｖｄｓが０から２Ｖ位までの間ではＶｄｓが増加すると、それに比例してＩｄｓも増加します。しかしＶｄｓが２Ｖを越えると、Ｉｄｓは増えなくなり、ほぼ一定となります。この例ではＶｇが３Ｖのとき、Ｉｄｓが一定となる電流値は約60μＡです。Ｖｇが小さくなるとこの電流値も小さくなり、Ｖｇ＝1.5Ｖでは10μＡ程度となります。
普通の物質に電極を付けて電圧をかけた場合は、オームの法則に従って電圧に比例した電流が流れるだけで、電流が一定になったりすることはありません。図のような特性はＩＧＦＥＴのソース－ドレイン間に特徴的なものと言えます。
それではソース－ドレイン間に負荷抵抗ＲＬをつなぐとどのようなことが起こるでしょうか。ドレイン電極にＲＬ＝100ｋΩ（キロオーム）の抵抗をつなぎ、その先をＶｄ＝５Ｖの電源につないだとしましょう。Ｖｇ＝1.5Ｖとし、 Ｉｄｓ＝10μＡの電流をソース－ドレイン間に流すと、負荷抵抗ＲＬの両端には１Ｖ（＝0.00001Ａ×100000Ω）の電圧が発生します。この電圧とドレイン電圧Ｖｄｓを足したものが電源電圧Ｖｄ＝５Ｖにならなければいけないので、Ｖｄｓ＝４Ｖとなります。
つぎにＶｇを２Ｖに変えてみます。Ｉｄｓは20μＡに増えます。負荷抵抗ＲＬの両端に発生する電圧は２Ｖになりますので、Ｖｄｓは３Ｖに減少することになります。これからわかるようにＶｄ＝５ＶでＲＬ＝100ｋΩとした場合、図のような直線を引くと、この線とＩｄｓ－Ｖｄｓ特性の交わる点がそのＶｇのときのＶｄｓを示していることが分かります。つまり電源電圧Ｖｄ＝５Ｖ、負荷抵抗ＲＬ＝100ｋΩのときはこの直線から外れたところでＩＧＦＥＴが動作することはありません。
この直線は横軸上のＶｄ＝５Ｖ（電源電圧）の点と縦軸上のＩｄｓ＝５Ｖ／100ｋΩ＝50μＡの点を結んだ直線で、負荷直線といいます。またＶｇ＝１ＶのときのＶｄｓ＝４Ｖの点、Ｖｇ＝３ＶのときのＶｄｓ＝３Ｖの点などをそれぞれ動作点と言います。この図からゲート電圧に対するドレイン電圧の特性がわかることになります。例えばゲート電圧を３Ｖから０Ｖに下げると図からドレイン電圧は１Ｖから５Ｖに上昇することがわかります。負荷抵抗の抵抗値を変えると負荷直線の傾きが変わるので、この電圧も変わります。
この特性を利用すればゲート電圧を切り換えることによりドレイン電流をオンオフするスイッチができます。ゲート電圧を下げたとき、ドレイン電圧は上がり、逆にゲート電圧を上げるとドレイン電圧は下がることがわかります。つまり入力電圧の変化に対して出力電圧は逆方向に変化します。入力の変化を逆転して出力する回路であることがわかります。これはＮＯＴ回路として使うことができます。入力電圧の極性を反転して出力するという意味でこの回路をインバータと呼ぶ場合もあります。
さて以上のようにＩＧＦＥＴはスイッチとして動作しますから、これを図６－２のように直列につなげば、ＡＮＤ回路になり、図６－３のように並列につなげば、ＯＲ回路が実現できます。ただし上に述べたように１個１個のスイッチはＮＯＴ回路ですので、図６－２の回路の真理値表はつぎのようにになります。これをＮＡＮＤ回路と言います。
A B X 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0
また図６－３の回路の真理値表はつぎのようになります。
A B X 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0
これをＮＯＲ回路と言います。これらをＡＮＤ回路、ＯＲ回路にするには出力にＮＯＴ回路を付け加えます。
