電験3種（理論）で出題されるFETとは?接合形、電界効果トランジスタの違いは?試験対策と計算問題について解説します。
FETとは
FETは、ゲート電圧でドレーン電流を制御する素子です。
【令和4年度上期・問題11】接合形の電界効果トランジスタ (FET)
図は， n チャネル接合形 FET の断面を示した模式図である。ドレーン (D) 電極に電圧$V_{DS}$を加え，ソース (S) 電極を接地すると， nチャネルの多数キャリヤが移動してドレーン電流$ID$が流れる。ゲート (G) 電極に逆方向電圧V{GS}を加えると， pn 接合付近に空乏層が形成されて n チャネルの幅が減少し，ドレーン電流$I_D$が減少する。このことから FET は電圧制御形の素子である。
【令和6年度下期・問11】電界効果トランジスタ（FET）の特徴
電界効果トランジスタ（FET）に関する記述として、誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。
| – | (1) | (2) | (3) | (4) | (5) |
|---|---|---|---|---|---|
| 記述 | 接合形とMOS形に分類することができる。 | ドレーンとソースとの間の電流の通路には、n形とp形がある。 | MOS形はデプレション形とエンハンスメント形に分類できる。 | ゲート電圧で自由電子又は正孔の移動を制御できる。 | エンハンスメント形はゲート電圧に関係なくチャネルができる。 |
解説
正解は(5)です。
エンハンスメント形MOSFETは、ゲート電圧がしきい値を超えたときに初めてチャネルが形成され、電流が流れるようになります。ゲート電圧が $0 \text{ V}$ の状態ではチャネルが存在せず、電流は流れません。ゲート電圧に関係なく元からチャネルが存在するのは、デプレション形のFETの特徴です。したがって、(5)が誤りです。
【令和6年度上期・問11】バイポーラトランジスタと電界効果トランジスタ(FET)
バイポーラトランジスタと電界効果トランジスタ(FET)に関する記述として，誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。
(1) バイポーラトランジスタは，消費電力がFETより大きい。 (2) バイポーラトランジスタは，静電気に対してFETより破壊されにくい。 (3) バイポーラトランジスタの入力インピーダンスは，FETのそれよりも低い。 (4) バイポーラトランジスタは電圧制御素子，FETは電流制御素子といわれる。 (5) バイポーラトランジスタのコレクタ電流は自由電子及び正孔の両方が関与し，FETのドレーン電流は自由電子又は正孔のどちらかが関与する。
解説
正解は(4)です。
バイポーラトランジスタはベース電流によってコレクタ電流を制御する「電流制御素子」です。一方、電界効果トランジスタ(FET)はゲート電圧によってドレーン電流を制御する「電圧制御素子」です。したがって、(4)の記述は逆になっており誤りです。
【令和5年度下期・問11】FETの種類
FETは、半導体の中を移動する多数キャリアを (ア) 電圧により生じる電界によって制御する素子であり、接合形と (イ) 形がある。次の図記号は接合形の (ウ) チャネル FETを示す。 上記の記述中の空白箇所(ア)〜(ウ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
| – | (ア) | (イ) | (ウ) |
|---|---|---|---|
| (1) | ゲート | MOS | n |
| (2) | ドレイン | MSI | p |
| (3) | ソース | DIP | n |
| (4) | ドレイン | MOS | p |
| (5) | ゲート | DIP | n |
解説
正解は(1)です。
FETはゲート電圧により生じる電界によって多数キャリアを制御する素子です。MOS形と接合形があります。 図記号でゲート矢印が内側に向いているものはnチャネルを示します。
https://denken.joho.info/riron/fet/
【令和5年度下期・問18】FETを用いた増幅回路
図1は、飽和領域で動作する接合形 FETを用いた増幅回路を示し、図中の $v_i$ 並びに $vo$ はそれぞれ、入力と出力の小信号交流電圧[V]を表す。また、図2は、その増幅回路で使用するFETのゲートーソース間電圧 $V{gs}$ [V] に対するドレーン電流 $I_d$ [mA]の特性を示している。抵抗 $R_G = 1 M\Omega$, $R_D = 5 k\Omega$, $RL = 2.5 k\Omega$, 直流電源電圧 $V{DD} = 20$ とするとき 次の(a)及び(b)の問に答えよ。 (a) FETの動作点が図2の点Pとなる抵抗 $R_S$ の値[kΩ]として、最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。 (1) 0.1 (2) 0.3 (3) 0.5 (4) 1 (5) 3
(b) 図2の特性曲線の点Pにおける接線の傾きを読むことで、FETの相互コンダクタンスが $g_m = 6mS$ であるとわかる。この値を用いて,増幅回路の小信号交流等価回路をかくと図3となる。ここで,コンデンサ $C_1$, $C_2$, $C_S$ のインピーダンスが使用する周波数で十分に小さいときを考えており、FETの出力インピーダンスが $R_D$ [kΩ] や $R_L$ [kΩ]より十分大きいとしている。この増幅回路の電圧増幅度 $A_v = |\frac{v_o}{v_i}|$ の値として、最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。 (1) 10 (2) 30 (3) 50 (4) 100 (5) 300
| – | (1) | (2) | (3) | (4) | (5) |
|---|---|---|---|---|---|
| (a) | 0.1 | 0.3 | 0.5 | 1 | 3 |
| (b) | 10 | 30 | 50 | 100 | 300 |
解説
(a)の正解は(4)、(b)の正解は(1)です。
(a) 直流動作ではゲートには電流が流れないため、ソース電圧 $V_S = I_d RS$ となり、$V{gs} = -V_S = -I_d R_S$ です。 点 P が特性曲線上にあるため、図から $Id$ と $V{gs}$ の関係を読み取り $R_S$ を計算すると 1 kΩ となります。
(b) 電圧増幅度 $A_v$ は $A_v = g_m (R_D // R_L)$ です。 $R_D // R_L = \frac{5 \times 2.5}{5 + 2.5} = \frac{12.5}{7.5} = \frac{5}{3} \text{ k}\Omega \approx 1.67 \text{ k}\Omega$
$A_v = 6 \times 10^{-3} \times \frac{5}{3} \times 10^3 = 10$
となります。
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