電験三種 令和6年度上期 理論 問11｜電子回路（トランジスタ・増幅）

バイポーラトランジスタとFETの違いについて、誤った記述を選ぶ問題です（令和6年度上期 問11）。

バイポーラトランジスタは、ベースに流す小さな電流でコレクタ電流を制御するので「電流制御素子」です。FETは、ゲートにかける電圧でつくる電界によってドレーン電流を制御し、ゲートにはほとんど電流が流れないので「電圧制御素子」です。

(4)はこの2つを逆に述べているので誤りで、正答は(4)です。

【各選択肢の検討】（令和6年度上期 問11）

(1) 正しい。バイポーラトランジスタは動作させるのにベース電流を流し続ける必要があり、駆動のための電力を消費します。FETはゲートにほとんど電流が流れず、駆動電力が小さいので、消費電力はバイポーラトランジスタの方が大きくなります。

(2) 正しい。FET（特にMOS形）のゲートは非常に薄い絶縁膜で隔てられていて入力インピーダンスが高いため、静電気の電荷が逃げにくく高い電圧がかかって絶縁膜が破壊されやすくなります。バイポーラトランジスタは入力が pn 接合で電荷が逃げやすいので、相対的に静電気に強いといえます。

(3) 正しい。バイポーラトランジスタの入力はベース・エミッタ間の順方向の pn 接合で電流が流れるため、入力インピーダンスは低くなります。FETはゲートが絶縁膜（MOS形）や逆バイアスの pn 接合（接合形）で電流がほとんど流れず、入力インピーダンスは非常に高くなります。

(4) 誤り。ベース電流で制御するバイポーラトランジスタが電流制御素子、ゲート電圧で制御するFETが電圧制御素子です。記述は逆になっています。

(5) 正しい。バイポーラトランジスタは電子と正孔の両方がキャリヤとして働く（バイポーラ＝2種類の極性）素子で、FETは電子か正孔のどちらか一方だけが働くユニポーラ素子です。

誤っているものは(4)で、正答は(4)です。

【名前に表れている動作原理】（令和6年度上期 問11）

「バイポーラ」は2つの極性、すなわち負の電荷の自由電子と正の電荷の正孔の両方が電流に関わることを意味します。npn形では、エミッタからベースに注入された電子の大部分がベースを通り抜けてコレクタに達し、ベースの正孔との再結合などで生じる一部がベース電流になります。コレクタ電流はベース電流の hFE 倍（直流電流増幅率）になり、ベース電流で大きなコレクタ電流を制御する「電流制御」となります。

FETは「電界効果」の名のとおり、ゲート電圧がつくる電界でチャネル（電流の通り道）の幅や電子・正孔の数を変え、ドレーン電流を制御します。nチャネル形なら電子だけ、pチャネル形なら正孔だけがキャリヤとなるユニポーラ素子です。制御の大きさは相互コンダクタンス gm＝ΔI_D/ΔV_GS で表され、入力に電流を必要としない「電圧制御」になります。

【入力インピーダンスと静電気の関係】

(2)と(3)は表裏の関係です。FETは入力インピーダンスが高いので、前段の回路から電流をほとんど取らず、センサなど微小な信号源をそのまま受けられる利点があります。その反面、帯電した人体などが触れたときに電荷の逃げ場がなく、ゲート絶縁膜に高い電圧がかかって破壊されやすいため、保護ダイオードを内蔵したり、取扱い時に静電気対策をとったりします。

【用途の違い】

駆動電力が小さく、オン・オフを高速に切り替えられるMOSFETは、ディジタル集積回路やスイッチング電源で広く使われます。また、バイポーラトランジスタの電流容量の大きさとMOSFETの電圧駆動の手軽さを組み合わせた素子がIGBTで、インバータなどの電力変換に使われています。

【出題のねらい】

(4)は「バイポーラ＝電流制御、FET＝電圧制御」という基本の対応を入れ替えたものです。「何で制御するか（ベース電流かゲート電圧か）」「キャリヤは何種類か」「入力に電流が流れるか」の3点を、2つの素子で対にして覚えると、正誤問題で迷いません。