電界効果トランジスタ

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出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/03/04 03:43 UTC 版)

n型チャネル接合型FETのモデル

n型チャネル接合型fetの構造図

（MOSFETについてはそちらの記事を参照のこと）

接合型 FET は通常ゲート端子がドレイン・ソース両端子よりも低い電圧で用いる。このときゲート端子は高インピーダンスでほとんど電流を流さない。よって考えるべき電流はドレインからソースへ流れる電流 $i DS$ のみである。ソース電圧を基準に取り、ゲート電圧を $v GS (\leq 0)$ 、ドレイン電圧を $v DS$ と表せば、 $i DS$ はこれらの関数としてモデル化される。ただし以下では $v DS \geq 0$ とする。

n型チャネル接合型FETの電圧−電流特性グラフ。

この関数は、定義域をオーム領域（ohmic region, または線型領域）、飽和領域 (saturation region)、ピンチオフ領域 (pinch-off region) という3つの領域に分割する。ピンチオフ領域はゲート電圧がピンチオフ電圧 (pinch-off voltage) $V p$ とよばれる負の決まった電圧以下の領域である。この領域では電界によりチャネルにキャリアが存在しなくなり（空乏層）、ドレイン–ソース間に電流は流れない。すなわち、

i_{\mathrm {DS} }=0\qquad (v_{\mathrm {GS} }\leq V_{\mathrm {p} }<0)

である。ピンチオフ電圧は FET の種類により異なるがおよそ $V p \approx -3 V$ とされる。

飽和領域は、ゲート電圧がピンチオフ電圧よりも大きく、かつドレイン電圧がピンチオフ電圧からみたゲート電圧よりも大きな領域であり、ここでは実質的にドレイン–ソース電流はゲート電圧のみの関数である。すなわち、電流はドレイン電圧によらず一定である。ゲート電圧に関してはピンチオフ電圧から測って理想的には 2 乗の特性をもち、式では、

i_{\mathrm {DS} }={\frac {I_{\mathrm {DSS} }}{V_{\mathrm {p} }^{2}}}(v_{\mathrm {GS} }-V_{\mathrm {p} })^{2}\qquad (V_{\mathrm {p} }\leq v_{\mathrm {GS} }\leq 0,\;v_{\mathrm {GS} }-V_{\mathrm {p} }\leq v_{\mathrm {DS} })

と表される。ただし、 $I DSS$ はドレイン飽和電流 (drain saturation current) とよばれる正の電流値で $v GS = 0$ であるときに流れるドレイン–ソース電流に相当する。このドレイン飽和電流は種類によっても個々の FET によってもかなりのばらつきがある。

これに対して、残りのオーム領域ではドレイン電圧が一定であればドレイン–ソース電流はゲート電圧とともに 1 次でしか増加しない。一方、ドレイン電圧に関してはそれが 0 のときドレイン–ソース電流が 0 となり、ドレイン電圧とともに上に凸の 2 次曲線を描いて非線型で増加する。モデル上は飽和領域でのゲート電圧の上昇に関する電流の増加と、オーム領域でのドレイン電圧の減少に関する電流の減少は、符号を逆にして 2 乗のオーダーでまったく同じである。すなわち、

i_{\mathrm {DS} }={\frac {I_{\mathrm {DSS} }}{V_{\mathrm {p} }^{2}}}\{2(v_{\mathrm {GS} }-V_{\mathrm {p} })v_{\mathrm {DS} }-v_{\mathrm {DS} }^{2}\}\quad (V_{\mathrm {p} }\leq v_{\mathrm {GS} }\leq 0,\;0\leq v_{\mathrm {DS} }\leq v_{\mathrm {GS} }-V_{\mathrm {p} })

となる。

飽和領域は主として増幅用途に用いられるが、オーム領域は特に電圧制御抵抗 (voltage-controlled resistor) として用いることができる。すなわち、このモデルの特性に基づけば、ゲート端子とゲート端子への入力 $x$ 、およびゲート端子とドレイン端子間に同じ大きさの抵抗をつなぎ、ゲート電圧を入力とドレイン電圧とのちょうど中間の電圧 $v GS = (x + v DS) / 2$ とすることによって、オーム領域での特性を線型化でき、次のように電圧の積に比例した電流を得ることができる。