| □ R02年09月期 A-07 Code:[HC0406] : 接合形FETのバイアスの掛け方と相互コンダクタンス |
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 Fig.H3209A07a |
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おそらく、世の中のFETの生産数で言えば、圧倒的にMOSFETが多く、接合形FETは少数派のはずです。それは、MOSFETの多くがパワーエレクトロニクス回路のスイッチング用途のためで、アナログ信号や高周波関係では、まだまだ接合形FETも使われます。［１］接合形FETのバイアスの掛け方まず、接合形FETはFig.HC0406_b左のような構造になっています。N形のチャネルに、P形のゲートがPN接合しており、チャネルとゲート間には逆バイアスがかかるようにして使用します。電流はチャネルを流れます。 | |
 Fig.HC0406_a 接合形FETのバイアスの掛け方理 |
逆バイアスがかかっていますから、ゲートに電流は流れません（正確には漏れ電流程度の微小電流が流れます）。 また、接合部（MOS形では酸化物層の下）に空乏層ができていて、これが電流を制限します。逆バイアスをどんどん大きくして行くと、しまいには上下の空乏層がくっついてしまいます。この状態を「ピンチオフ」といいます。ゲート電圧が零の時は、空乏層はできませんから、原理上はチャネルの制限（後に述べるＩDSS）まで電流を流すことができます。 このようにして、接合形FETでは、逆バイアスを掛けておき、その電圧の大きさで空乏層の厚さを変えて、チャネルを流れる電流を制御する仕組みになっているわけです。 |
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一方、Ｎチャネル形ではドレインに＋、ソースにはドレインよりも低い電圧になるようにして、ドレイン→ソースの方向に電流が流れるように使います。バイポーラトランジスタとは違い、方向が逆になっても電流は流せます。 ただ、増幅回路としてよく用いられるソース接地回路では、Fig.0406_a右のように、電流がドレイン→ソースの方向に流れるようにバイアスを掛けて用います。 ［２］コンダクタンスとは「コンダクタンス」はインピーダンス [Ω]やインダクタンス [Ω]に比べて、あまり出てこない用語ですが、単位は[S]（シーメンス）で、要するに1/Ωの次元を持つ単位です。抵抗は大きければ大きいほど電流を通しにくいですが、コンダクタンスは大きいほど電流が通りやすい、ということを表します。10 [Ω]＝0.1 [S]で、0.05 [Ω]＝20 [S]といった具合です。 ところで、なぜ、FETの特性を表すのに、抵抗の逆数なのでしょうか？ それは、FETの動作原理である、「電圧で電流を制御する」という機能に由来します。 ［３］相互コンダクタンスとはコンダクタンスのことを考える前に、まず、バイポーラトランジスタ（以下、単にトランジスタと書きます）の場合を考えてみます。トランジスタの「（直流）電流増幅率」はｈFEで表されます。この意味は、「コレクタ電流の変化分ΔⅠCはベース電流の変化分ΔⅠBの何倍か」、つまりｈFE＝ΔⅠC/ΔⅠBということです。ここで思い出していただきたいのは、トランジスタは「ベース電流でコレクタ電流を制御する」素子でした。だから、その制御能力を示すものとして、ベース電流からコレクタ電流への変換係数としてｈFEが使われるわけです。ｈFEが大きければ、少ないベース電流の変化で大きなコレクタ電流を変化させられる、というわけです。 それでは、FETではその「変換係数」はどんなものを使ったらよいでしょう？ FETは、トランジスタと違い、「ゲート電圧の変化分ΔＶGでドレイン電流の変化ΔＩDを得る素子」です。ここで、トランジスタと同じように考えれば、ドレイン電流の変化分をゲート電圧の変化分で割れば、ゲート電圧からドレイン電流への変換係数、が出せます。 | |
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つまり、ΔＩD/ΔＶGがその変換係数に当たります。これが、FETの「相互コンダクタンスｇm」ということになります。確かに、電流を電圧で割った形になっていますから、抵抗の逆数の次元を持つ数です。 実際の特性は、Fig.HC0406_bのようになります。図では接合形FETのデプレッション形の特性を挙げていますが、MOS形（デプレッション・エンハンスメント）でも本質は変わりません。 ここで注意しなければならないのは、第一には、この曲線はドレイン－ソース間電圧ＶDSを一定にして測定しなければならない、ということです。 |
 Fig.HC0406_b 相互コンダクタンスとは |
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ＶDSが異なると、曲線の形も違ってきます。また、第２点は、ゲート電圧によって曲線の傾きが変わるので、たとえＶDSが一定でも、ｇmはＶGに対して一定値ではない、ということです。グラフの曲線の傾きは、場所によって違います。まぁこれは、増幅器を設計する際に必要な知識なので、試験には出ませんが。 相互コンダクタンスが大きい、ということは、小さなゲート電圧の変化で、大きなドレイン電流の変化を得ることができる、ということであり、FETの特性を表す数値になっていることは理解できるかと思います。 接合形FETの特性が出たついでに、ⅠDSSについて調べておきましょう。接合形の場合、ゲートはチャネルに対して逆バイアスをかけて使用しますから、Nチャネルの場合ゲート電圧（ソースが基準）は0 [V]より大きな電圧は掛けられません。この（ＶG＝0 [V]）ときに流れるドレイン電流が最大となります。この電流値をⅠDSSといい、FETのもう一つの特性値になっています。ⅠDSSは、製造に起因するバラツキが大きく、ちょうどトランジスタのｈFEのように、その値でランク分けされていることがあります。実回路の設計では、このバラツキにも注意しなければなりません。 それでは、解答に移ります。 Ａ…［１］で見たように、Ｄに正(+)、Ｓに負(-)です Ｂ…G-S間の電圧の変化に対するドレイン電流の変化ですから、ΔＩD/ΔＶGSです Ｃ…接合形FETではFig.HC0406_bのように、ゲート電圧が零でドレイン電流ＩDSSが流れる性質を持ちます となりますから、正解は４と分かります。 | |
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