FET – metoree本番管理

FETとは

FET

FET (Field Effect Transistor) とは、ゲート電極に電圧をかけ、チャネルの電界により電子または正孔の流れを制御することで、ソース-ドレイン間に流れる電流を変化させる半導体素子です。

正孔もしくは電子どちらか一種類のキャリアしか用いないことからユニポーラトランジスタ、日本語では電界効果トランジスタとも呼ばれています。FETもバイポーラトランジスタと同様に3本の電極を有していて、ベースに対応する端子がゲート、コレクタに対応する端子がドレイン、エミッタに対応する端子がソースです。

FETの使用用途

FETが採用される回路分野は多岐に渡り、デジタル回路では論理回路を構成する素子として使用されています。また、アナログ回路では一般的なアンプ以外にも、アナログスイッチや電子ボリューム回路などに使われることも多いです。

特にMOSFETはゲート電流が非常に小さいことに加え、構造が平面的であることが特徴で、バイポーラトランジスタと比べると製造プロセスが簡単で消費電力が少ないことから、集積回路に適しています。マイコンなどの大規模なデジタル集積回路は、多くの場合MOSFETで構成されています。

また、電源などのパワーエレクトロニクスの分野では、FETはオン抵抗が小さい上、ON/OFFのスイッチングスピードが速いことから、電流のスイッチング素子として使用されています。

FETの原理

JFETとMOSFETの動作原理は異なります。なお、下記ではNチャネル型を例に記述しますが、Pチャネル型も各電極に印加する電圧の極性を反対にすれば、同様に扱うことができます。

1. JFET

P型半導体のゲート電極にN型半導体のドレイン電極とソース電極を接続する構成のNチャネル型において、ゲート電極とソース電極間のPN接合部に逆方向電圧VGS (ゲート電極側がマイナス) を加えると、N型領域内に空乏層が広がります。空乏層にはキャリアが存在しないため、N型領域の電流が流れる通路 (チャネル) の幅が狭まり、ドレインからソースに流れる電流IDが減少します。

このような原理によりVGSの大きさを変えることでIDの制御が可能です。なお、この使い方ではゲートとソース間は逆方法電圧になるため、ゲート電流はほとんど流れません。すなわち、入力インピーダンスが大きいことになります。

2. MOSFET

MOSとは Metal-Oxide-Semiconductor (金属-酸化膜-半導体) の略で、ベースとなる半導体の上に絶縁層としての酸化膜、その上に電極としての金属を積層した3層構造となっています。また、前項に記した通り、MOSFETにはエンハンスト型とデプレション型の2種類があります。

P型半導体の中にN型半導体の領域を2つ設けて各々ドレインとソースとしたNチャネルエンハンスメント型MOSFETにおいて、ゲート電極に電圧をかける前はドレインとソースの間はN-P-Nとなっているため電流は流れません。しかし、ゲートに正の電圧を印加すると、絶縁層 (酸化膜) を通してゲートの下側に負電荷が集まって薄いN形半導体の層が形成され、ドレイン-ソース間がN-N-N、即ち連続したN型半導体になり電流が流れるようになります。

ゲートの下に形成されたN形半導体の層を「チャネル」と言い、チャネルの厚さはゲート-ソース間に印加される電圧VGSによって変化し、ソースからドレインに流れる電流IDはチャネルの厚さに応じて変化します。すなわち、VGSの値でIDを制御することが可能です。また、ゲート電極は絶縁層に接しているだけであるため、微小な漏洩電流しか流れません。つまり、入力インピーダンスが極めて大きいことになります。

なお、エンハンスト型は上記の通りVGS=0ではドレインに電流は流れませんが、デプレション型ではVGS=0 の状態でドレインに電流が流れるように、あらかじめドレイン、ソース間に薄いチャネルを形成しておきます。従って、デプレション型FETではゲート電極に加わる信号レベルが非常に小さい場合でもドレイン電流が追従することから、増幅回路として使い易いものです。

FETの種類

FETはその構造により、接合型電界効果トランジスタ (JFET) と絶縁ゲート型電界効果トランジスタ (MOS FET) に分類され、回路図上でも異なる回路記号で表示されます。また、N型半導体のベースに2つのP型半導体領域を形成を埋め込んだＰチャネル型と、P型半導体のベースに2つのN型半導体領域を形成したＮチャネル型があり、用途に応じて使い分けます。

更にMOSFETでは、ゲート-ソース間に電圧を印加しないとソース-ドレイン間に電流が流れないエンハンスメント型と、ゲート-ソース間が同電位であっても電流がある程度流れるデプレッション型とがあります。

参考文献
https://contents.zaikostore.com/semiconductor/4779/
https://www.shindengen.co.jp/products/semi/column/basic/mosfet/mosfet.html