FET（電界効果トランジスタ）のしくみ

前回はバイポーラトランジスタについて書きましたが、その後に出てきたのが電界効果トランジスタ（Field effect transistor;FET）と呼ばれる種類のトランジスタです。
今回はFETのしくみについて調べたところをまとめたいと思います。

FETの動作原理を考えるうえで、バイポーラトランジスタとの主な違いを挙げてみます。

バイポーラトランジスタ
・電子と正孔の2つがキャリアとなる
・ベース、コレクタ、エミッタと呼ばれる端子を持つ
・ベースでの電流入力によりコレクタ-エミッタ間の電流を制御する
・コレクタとエミッタは逆にすることができない

FET
・電子または正孔のどちらかがキャリアとなる
・ゲート、ソース、ドレインと呼ばれる端子を持つ
・ゲートでの電圧制御によりソース-ドレイン間の電流を制御する
・ソースとドレインは入れ替えが可能

FETには主に接合型FET（Junction Field Effect Transistor;JFET）と、
金属酸化膜半導体FET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;MOSFET）
がありますのでそれぞれを見ていきます。

接合型FET

バイポーラトランジスタの場合はNPN型とPNP型がありましたが、FETの場合はNチャネル型とPチャネル型が存在します。
チャネルというのはソースとドレインの間に電流が通過するときの領域によって区別されていて、ソース-ドレイン間の電流がN型半導体を通る場合はNチャネル型、P型半導体を通る場合はPチャネル型といいます。

電子がキャリアになっている方がわかりやすいので、Nチャネル型で動作原理を見ていきます。

まずはソースとドレインを電源に接続します。ソースとドレインはN型半導体でつながっているだけなので電流が流れます。

次にソース-ゲート間にも電源をつないでみます。するとゲート側からP型半導体内に電子が供給されます。この電子がP型半導体内の正孔と再結合し、P型半導体の周囲に空乏層が広がります。そのためソース-ゲート間には電流が生じません。
またこの空乏層が広がっていくとN型半導体中の電子の移動を妨げるため、ソース-ドレイン間に電流が流れなくなります。
このときのゲート電圧をピンチオフ電圧といいます。

ゲート-ソース間に電源をつないでも電流は生じず、電圧の変化のみが起こります。そのため電流制御型のバイポーラトランジスタに対してFETは電圧制御型と呼ばれ、ゲート電圧の制御によってソース-ドレイン間の電流のON/OFFを切り替えたり、ゲート電圧の小さな変化でソース-ドレイン間の大きな電流を生じさせたりします。

MOSFET

次にMOSFETを見てみましょう。

MOSFETのMOSは、それぞれ以下の頭文字を取っています。
・Metal（金属）
・Oxide （酸化物）
・Semiconductor　（半導体）

こちらもNチャネル型で考えてみます。
ソース-ドレイン間に電極をつないだだけだとP型半導体に自由電子がつかまって再結合してしまうためソース-ドレイン間の電流は生じません。

ではソース-ゲート間に電源をつなぐとどうなるでしょうか。

ゲート部分にしきい値を超える正の電圧がかかると、P型半導体に含まれるわずかな自由電子やソースから注入されるゲート下に集まってきます。
ゲート下には酸化物による絶縁膜が存在し、電子がゲートに入り込んで正孔と再結合することを防いでいます。
こうして電子が集まった部分は電子の密度が正孔よりも多くなるので部分的にＮ型化します。このようにしてゲート酸化膜界面に形成された層を反転層といいます。

こうしてソースからドレインの間がＮ型半導体でつながったような格好になり、電流が流れるようになります。

6/30（日）学習時間：11.5H
・岡野の化学（145）～（147）の途中
・MOSFETの電圧・電流特性について
・pn接合についての簡単な英語のスライド資料を読んだ

課題）
・MOSFETの電圧・電流特性については物理の基礎がないうちから調べて悩みすぎてしまったので理解できたところまででいったんまとめて次に進む。