《理論》〈電子理論〉[R05下:問11]ＦＥＴの動作原理に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）

\( \ \mathrm {FET} \ \)は，半導体の中を移動する多数キャリアを\( \ \fbox {　 （ア） 　} \ \)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\( \ \fbox {　 （イ） 　} \ \)形がある。次の図記号は接合形の\( \ \fbox {　 （ウ） 　} \ \)チャネル\( \ \mathrm {FET} \ \)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。

\[
\begin{array}{cccc}
& （ア） & （イ） & （ウ） \\
\hline
(1) & 　ゲート　 & 　\mathrm {MOS}　 & 　\mathrm {n}　 \\
\hline
(2) & 　ドレイン　 & 　\mathrm {MSI}　 & 　\mathrm {p}　 \\
\hline
(3) & 　ソース　 & 　\mathrm {DIP}　 & 　\mathrm {n}　 \\
\hline
(4) & 　ドレイン　 & 　\mathrm {MOS}　 & 　\mathrm {p}　 \\
\hline
(5) & 　ゲート　 & 　\mathrm {DIP}　 & 　\mathrm {n}　 \\
\hline
\end{array}
\]

【ワンポイント解説】

\( \ \mathrm {FET} \ \)の特性や特徴を問う問題です。
本問においては細かい動作原理は問われていませんが，電験においてはそれぞれの\( \ \mathrm {FET} \ \)の動作原理は理解しておく必要があります。以下に紹介する内容は試験本番までに理解しておいて下さい。
本問は平成11問3からの再出題となります。

1.接合形\( \ \mathrm {FET} \ \)の動作原理
接合形\( \ \mathrm {FET} \ \)（\( \ \mathrm {n} \ \)チャネル）は，図1のように\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体と\( \ \mathrm {p} \ \)形半導体を接合し，\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体にソース\( \ \mathrm {S} \ \)とドレーン\( \ \mathrm {D} \)，\( \ \mathrm {p} \ \)形半導体にゲート\( \ \mathrm {G} \ \)を取り付けた素子です。

図1に示すように，ゲート－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {GS}} \ \)が零でドレーン－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {DS}} \ \)を加えると，\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体内のキャリヤ（電子）が移動することでドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)が流れます。
しかしながら，図2に示すようにゲート－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {GS}} \ \)に逆電圧を加えると，\( \ \mathrm {pn} \ \)接合部に空乏層が形成されるので，ドレーン－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {DS}} \ \)を加えても\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体の流路が狭くなり，ドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)が流れにくくなります。
このように，ゲート－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {GS}} \ \)の大きさを変化させることによりドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)が制御できる素子となります。

2.\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)の動作原理
\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)（\( \ \mathrm {n} \ \)チャネル）は，図3のように\( \ \mathrm {p} \ \)形基板表面に\( \ \mathrm {n} \ \)形のソース\( \ \mathrm {S} \ \)とドレーン\( \ \mathrm {D} \ \)を形成し，ゲート\( \ \mathrm {G} \ \)を電子や正孔を通さない薄いゲート酸化膜を介して形成する素子です。

図3のように，ゲート－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {GS}} \ \)が零のとき，ドレーン－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {DS}} \ \)を加えても，\( \ \mathrm {p} \ \)形基板によりドレーン－ソース間は導通せず，ドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)は流れません。
図4のように，ゲート－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {GS}} \ \)を加えると，ゲート電極に電子が引き寄せられ，疑似的な\( \ \mathrm {n} \ \)形の層ができ，ドレーン－ソース間が導通するようになり，ドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)が流れるようになります。そのままドレーン－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {DS}} \ \)を大きくしていっても，ある値を上限に\( \ \mathrm {n} \ \)層の導通路の幅が支配的となり，ドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)は大きくなりません。
一方，ゲート－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {GS}} \ \)を大きくすると，\( \ \mathrm {n} \ \)層の導通路が大きくなるので，ドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)が大きくなります。
したがって，ドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)はゲート－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {GS}} \ \)でコントロールできることがわかります。

【解答】

解答：(1)
(ア)
ワンポイント解説「1.接合形\( \ \mathrm {FET} \ \)の動作原理」及び「2.\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)の動作原理」の通り，\( \ \mathrm {FET} \ \)は，半導体の中を移動する多数キャリアをゲート電圧により制御する素子です。

(イ)
ワンポイント解説「1.接合形\( \ \mathrm {FET} \ \)の動作原理」及び「2.\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)の動作原理」の通り，\( \ \mathrm {FET} \ \)には接合形と\( \ \mathrm {MOS} \ \)形があります。

(ウ)
問題の図記号は\( \ \mathrm {n} \ \)チャネル\( \ \mathrm {FET} \ \)の図記号です。\( \ \mathrm {p} \ \)チャネル\( \ \mathrm {FET} \ \)の図記号は図5にような図記号となります。