電験三種 令和5年度下期 理論 問11｜電子回路（トランジスタ・増幅）

FET（電界効果トランジスタ）の基本と図記号を問う問題です（令和5年度下期 問11）。

FETはゲート・ドレイン・ソースの三端子をもち，ゲートに加えた電圧でできる電界によって，チャネルを流れる多数キャリアの量を制御します。よって(ｱ)はゲートです。

FETには接合形とMOS形があります（(ｲ) MOS）。接合形FETの図記号では，ゲートの矢印がチャネルに向かっていればnチャネル，チャネルから外へ向いていればpチャネルです。図は内向きなので(ｳ)はnです。正答は(1)です。

【(ｱ) 制御する電極】

FETはゲート（G），ドレイン（D），ソース（S）の三つの電極をもちます。ソースからドレインへ流れる多数キャリアの通り道（チャネル）の幅を，ゲート－ソース間の電圧で生じる電界によって変え，ドレイン電流を制御します。制御に使うのはゲート電圧です。→ゲート

【(ｲ) FETの種類】

・接合形FET：ゲートとチャネルのpn接合に逆方向電圧を加え，空乏層の広がりでチャネルを狭める

・MOS形FET：金属（ゲート）－酸化膜－半導体の構造で，絶縁された酸化膜越しの電界でチャネルを制御する

→MOS

【(ｳ) 図記号の読み方】

接合形FETの矢印はゲートのpn接合を表し，p形からn形へ向く向きに描かれます。図ではゲートの矢印がチャネルへ向かっている（ゲートがp形，チャネルがn形）ので，nチャネルです。→n

【ほかの語句】

MSIは中規模集積回路（Medium Scale Integration），DIPは集積回路のパッケージの形（Dual Inline Package）を表す略語で，FETの種類ではありません。ドレインやソースは電流の出入口で，電界をつくって制御する電極ではありません。

正答は(1)です。

【接合形FETの動作】

nチャネル接合形FETでは，n形の細い通路（チャネル）の両側にp形のゲートがあります。ゲート－ソース間に逆方向電圧（ゲートを負）を加えると，pn接合の空乏層がチャネルに広がり，電子の通り道が狭くなってドレイン電流が減ります。逆方向電圧を大きくしていくと，ついにはチャネルがふさがり，電流がほぼ流れなくなります（このときのゲート電圧をピンチオフ電圧と呼びます）。ゲートには逆方向電圧しか加えないので，ゲート電流はほとんど流れず，入力インピーダンスが高くなります。

【MOS形FETとの違い】

MOS形は，ゲートが薄い酸化膜（絶縁物）でチャネルから隔てられているため，接合形よりさらに入力インピーダンスが高くなります。ゲート電圧0でチャネルがあり，電圧でチャネルを狭める「デプレション形」と，ゲート電圧0ではチャネルがなく，電圧を加えてはじめてチャネルができる「エンハンスメント形」があります。

【バイポーラトランジスタとの比較】

FETは多数キャリアだけが電流を運ぶので「ユニポーラトランジスタ」とも呼ばれ，電圧で制御する素子です。これに対しバイポーラトランジスタは，電子と正孔の両方が関わり，ベース電流で制御する電流制御形の素子です。「FETは電圧制御・入力インピーダンス大」「バイポーラは電流制御」という対比は頻出です。

【図記号の見分け方】

矢印は，pn接合の「p→n」の向きに描くと覚えておけば，バイポーラトランジスタ（エミッタの矢印が外向き＝npn）にも共通して使えます。接合形FETで矢印が内向きなら，ゲートp・チャネルn，つまりnチャネルです。外向きならpチャネルです。本問の誤りの選択肢(2)(4)はpを組み合わせており，この向きを取り違えたときに選んでしまう形になっています。

【誤りの語句の作られ方】

(ｲ)に入るMSIやDIPは，いずれも半導体に関係する略語ですが，MSIは集積度の区分，DIPは部品の外形です。FETの構造の種類はあくまで「接合形」と「MOS形（絶縁ゲート形）」の二つです。