《理論》〈電子理論〉[R05下:問11]RC直列回路においてスイッチを切り換えた際の変化に関する計算問題

【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。