電子部品

FETとは?(初心者向け)基本的に、わかりやすく説明

FETとは?(初心者向け)基本的に、わかりやすく説明

電子回路など、その中でも最も利用され普及している電子部品「トランジスタ」は、その種類や構造によって、大きく分類されています。

今回は、その大分類でも種別化される、“もう一つのトランジスタ” について、記述いたします。

 

FET

FET:Field Effect Transistor 電界効果トランジスタは、その名の通り、電界を利用する電流制御のトランジスタのことで、”エフ・イー・ティー”と呼ばれています。
FETは、トランジスタの一種ですが、一般的なトランジスタと比べその構造や、動作が全く異なります。

ここからは、一般的なトランジスタ(バイポーラ型)はトランジスタと記し、電界効果トランジスタをFETと記します。

電界効果

電界とは、帯電物の電荷が影響を与える範囲(空間)

FETは、電界の効果(他からの電荷による電界の影響(その特性))を利用した電流の通り道を作る、トランジスタの仲間です。

トタンジスタとの違い

駆動方法

FETはトランジスタと同様に、三つの端子がありますがそれぞれの動作・意味が異なります。

  • S「ソース」:電荷を集める。
  • G「ゲート」:電圧印加によって制御を行う。
  • D「ドレイン」:電荷を出力する。

FETは、G:ゲート端子に電圧を掛けることで、D:ドレイン・S:ソース間の電流制御を行います。
(後述するFETの種類によって動作原理は異なります)

インピーダンス

電圧で電流を制御するため、全体的にシンプルな回路設計が可能です。
(余計な電流がぼほ流れない為、前後に与える影響が少ない構成で回路を組める)

インピーダンスは入力側の抵抗、その抵抗(負荷)が低いと(電流が流れれば流れるほど)
入力側へ損失が過大となり、小さい信号ほど減衰してしまい非効率となります。

マイクやセンサー等の小さな信号などは、この損失は大きく過大な影響がでる場合があります。従って、電流ではなく電圧制御にて応じる増幅(制御)する電子部品が求められ、
入力インピーダンスが高い「FET」が多く利用されるようになりました。

 

FETの種類

ゲート接合部分の構造によって ”JFET” と ”MOS FET” に種分けされています。

JFET

トランジスタは、p型あるいはn型半導体が、もう一方をサンドイッチ状に挟込む形状に対し、JFETはp型半導体またはn型半導体(土台)のゲート部分に、それぞれ逆の半導体をセットし、PN接合にしたものとなります。
その接合=J(Junction)から、「JFET」と呼ばれています。

構造・動作

チャネル

D:ドレイン・S:ソース間の電流が通過する領域(通り道)を ”チャネル” と言います。
このチャネルがn型半導体の場合は “n型チャネル”、p型半導体は “p型チャネル” となります。

ここでは、n型チャネルについて紹介します。(p型はnとpを入替えたものです)

① チャネル(n型半導体)S:ソース からD:ドレイン への「電子(⁻)」の通り道があります。

② G:ゲートはp型半導体で、そのGとチャネル接合部は、p型とn型が接合されたダイオードとなります。

③ Gに-、Sに+の電圧を掛けると(ダイオードに対して逆向きの電圧を掛けることになるので電流は流れません。
→ 逆向き(電流の流れない向き)に電圧を掛けると
→ 結合部に ※「空乏層」域が出来ます。

※ 空乏層とは、
半導体のpn接合などでキャリアがほとんどなく(ホールも電子も存在しない)、電気的に絶縁された領域のこと。

④ この空乏層の存在によって、SからDへの電子の流れが抑止されます。
つまり、Gに電圧を印加することによって、DからSへの電流の流れを制御できます。

特性・用途

  • 微量な入力電流で制御(通常のトランジスタよりかなり少ない)従って、電流損失が少なく(微弱な信号でも優位で効率よく)動作します。
  • その微量な電流とは言え、その電流損失への影響がある場合があります。(電流が全く流れないわけではない)
  • トランジスタと同様に増幅やスイッチング回路にて多く用いられます。

高速なスイッチング動作や、高インピーダンス特性の役割を優位とする、微弱な電流で信号を得たい機器やアンプ・マイクにもよく利用されてきましが、現在では次項の”MOSFET”が多く使用され、主流となってきています。

 

MOS FET

MOS FETは、金属(Metal)、酸化膜(Oxide)、半導体(Semiconductor)それぞれの頭文字からMOS その3つの層から構成された電界効果トランジスタで、
一般的には、MOS FET ”モス エフ・イー・ティー” と呼ばれ、稀に(モス トランジスタ や モスフェット)とも呼ばれています。

構造・動作

JFETより複雑な構造で、MOS金属酸化膜半導体(シリコン表面を酸化 SiO2(二酸化シリコン膜)を電極とする金属)を組合せる構造を持つ特長があり、
また、JFET同様にp型半導体またはn型半導体を土台に用い、それぞれのチャネルがあります。

① G ー Sの間で、Gに+の電圧を掛けると(pチャネルの場合は-)Gの付近にあるp型半導体に電子(pチャネルの場合は正孔)が引かれ、p型半導体がn型半導体に変化する(反転層)ができます。

➁ 変化された(反転層)のnチャネルによって、DからS(p型の場合はSからD)への「電子(⁻)」の通り道ができ、電流が流れるようになります。

 

④ 結果、Gに電圧を印加することによる、DからSへの電流が制御できます。

 

特性・用途

  • Gは酸化被膜で半導体部と絶縁されているので、電流は流れません。(超微量な漏れ電流を除く)
  • D・S間の抵抗はGに電圧が印加されていない場合は、全く電子が不動の為高抵抗です、Gに一定以上の電圧が加わると、急激に電子が流れる状態に推移し、結果低抵抗となります。
  • 上記の特性から、MOSFETは半導体スイッチとして、多く利用されています。

 

分類

ゲート電圧とドレイン電流に関係に対し、FETは下記モードに分類されます。

エンハンスメント型

Gに電圧が掛かっていない場合に、チャネルが存在せずS・D間の電流が流れない。
MOS FETはほぼこのタイプです。
また、回路図記号では隙間がある・なし(縦棒の区切り)で区別しています。

デプレッション型

G電圧を掛けていな時でもチャネルが存在して、S・D間の電流が流れるもの。
逆電圧が掛かると電流を抑止(電流が止まる)、JFETは全てこのタイプとなります。
なお、デプレッション型のMOSFETは、高周波小信号用の一部の部品に採用されています。

記号

FETの回路図記号を下記に示します。

JFET
MOS FET

 

まとめ

  • FET:Field Effect Transistor 電界効果トランジスタを示す。
  • 一般的なトランジスタ(バイポーラ型)と異なり、電圧印可で電流を制御する。
  • 入力インピーダンスが高い
  • チャネル極性でp型とn型がある。
  • JFET と MOS FET に種分けされ、MOS FETが主流。
  • GとDの関係に対したモード(エンハンスメントとデプレッション型)に分類され、一般的には(G電圧0Vでオフ)のエンハンスメント型が多い。