《理論》〈電子理論〉[R4上:問11]電界効果トランジスタの特徴に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）

次の文章は，電界効果トランジスタ\( \ \left( \mathrm {FET}\right) \ \)に関する記述である。

図は，\( \ \mathrm {n} \ \)チャネル接合形\( \ \mathrm {FET} \ \)の断面を示した模式図である。ドレーン\( \ \left( \mathrm {D}\right) \ \)電極に電圧\( \ V_{\mathrm {DS}} \ \)を加え，ソース\( \ \left( \mathrm {S}\right) \ \)電極を接地すると，\( \ \mathrm {n} \ \)チャネルの\( \ \fbox {　 （ア） 　} \ \)キャリヤが移動してドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)が流れる。ゲート\( \ \left( \mathrm {G}\right) \ \)電極に逆方向電圧\( \ V_{\mathrm {GS}} \ \)を加えると，\( \ \mathrm {pn} \ \)接合付近に空乏層が形成されて\( \ \mathrm {n} \ \)チャネルの幅が\( \ \fbox {　 （イ） 　} \ \)し，ドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)が\( \ \fbox {　 （ウ） 　} \ \)する。このことから\( \ \mathrm {FET} \ \)は\( \ \fbox {　 （エ） 　} \ \)制御形の素子である。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(エ)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。

\[
\begin{array}{ccccc}
& （ア） & （イ） & （ウ） & （エ） \\
\hline
(1) & 　　少数　　 & 　　減少　　 & 　　増加　　 & 　　電流　　 \\
\hline
(2) & 　　少数　　 & 　　増加　　 & 　　増加　　 & 　　電流　　 \\
\hline
(3) & 　　多数　　 & 　　増加　　 & 　　減少　　 & 　　電圧　　 \\
\hline
(4) & 　　多数　　 & 　　減少　　 & 　　減少　　 & 　　電流　　 \\
\hline
(5) & 　　多数　　 & 　　減少　　 & 　　減少　　 & 　　電圧　　 \\
\hline
\end{array}
\]

【ワンポイント解説】

電界効果トランジスタの動作原理に関する問題です。
\( \ \mathrm {FET} \ \)には本問に出題されているような接合形と絶縁ゲート形がありますので，合わせて覚えておくようにしましょう。
バイポーラトランジスタはベース電流で制御するため電流形，電界効果トランジスタはゲート－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {GS}} \ \)で制御するため電圧形の素子と呼ばれます。

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のような構造をした\( \ \mathrm {FET} \ \)です。\( \ \mathrm {p} \ \)チャネル形は動作原理はほぼ同じで電源の向きや\( \ \mathrm {n} \ \)と\( \ \mathrm {p} \ \)が逆になる等の違いがあります。
図1のようにゲート－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {GS}} \ \)が零である状態で，ドレーン－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {DS}} \ \)をかけると\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体の多数キャリヤである電子の移動によりドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)が流れます。

しかし，図2のようにある一定以上のゲート－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {GS}} \ \)をかけると，負の電圧がかかっているゲート電極側の\( \ \mathrm {pn} \ \)接合部でキャリヤの再結合が発生し空乏層が形成され，\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体の導通領域が狭くなります。これにより，ドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)が流れにくくなり，ドレーン－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {DS}} \ \)を上げても，ドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)はある一定以上は流れなくなります。
したがって，ゲート－ソース間電圧\( \ V_{\mathrm {GS}} \ \)によりドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)を調整することが可能なので，電圧制御形素子と呼ばれます。

【解答】

解答：(5)
(ア)
ワンポイント解説「1.接合形\( \ \mathrm {FET} \ \)の動作原理」の通り，電圧\( \ V_{\mathrm {DS}} \ \)を加え，ソース\( \ \left( \mathrm {S}\right) \ \)電極を接地すると，\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体の多数キャリヤである電子の移動によりドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)が流れます。

(イ)
ワンポイント解説「1.接合形\( \ \mathrm {FET} \ \)の動作原理」の通り，\( \ V_{\mathrm {GS}} \ \)を加えると，\( \ \mathrm {pn} \ \)接合付近に空乏層が形成されて\( \ \mathrm {n} \ \)チャネルの幅が減少します。

(ウ)
ワンポイント解説「1.接合形\( \ \mathrm {FET} \ \)の動作原理」の通り，\( \ \mathrm {pn} \ \)接合付近に空乏層が形成されると\( \ \mathrm {n} \ \)チャネルの導通する通路が減少し，ドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)は減少します。

(エ)
ワンポイント解説「1.接合形\( \ \mathrm {FET} \ \)の動作原理」の通り，\( \ \mathrm {FET} \ \)は\( \ V_{\mathrm {GS}} \ \)によりドレーン電流\( \ I_{\mathrm {D}} \ \)が調整されるので，電圧制御形の素子となります。