ゲート遮断電流 - Indico

電子回路
放射線計測エレクトロニクスの信号処理の為の
アナログ電子回路の基礎
第四回
村上浩之
May. 24. 2010
目次（２）
• 回路の構成要素
– 受動素子と能動素子
• 能動素子
–
–
–
–
–
真空管
ダイオード（D)
バイポーラトランジスター（Tr)
電界効果トランジスター（FET)
その他の能動素子
• 等価回路
• ２端子回路網と４端子回路網
May. 24. 2010
真空管
• 動作原理
– 熱せられた陰極（カソード）から飛ぶ出した熱電子を正の電圧を加えた陽極（プレート、
アノード）で集める構造をしている（２極管）。陰極と陽極の間に格子（グリッド）入れると
格子の電圧で陽極の電流を制御できる。格子が一つのとき３極管、格子が三つのとき
５極管と言う。３極管では陽極電圧の3/2乗で陽極電流が増加する（３極管特性）。５極
管では初めは増加するがすぐに第１（コントロール）格子の電圧に比例した一定の陽極
電流になる。（５極管特性）
プレート
（アノード）
プレート
（アノード）
コントロール
グッリド
グッリド
カソード
May. 24. 2010
三極管
カソード
五極管
ダイオード
• 特性
– 順方向最大電流
– 逆方向飽和電流
– 逆方向最大電圧
• 構造
– PN接合型ダイオード
– ショットキー型ダイオード
– 表面障壁型ダイオード
• 記号
P型
N型
PN接合型ダイオード
ヅェナーダイオード
• 用途による分類
–
–
–
–
整流
検波
スイッチ
バラクターダイオード（電圧制御キャパシタンス）
May. 24. 2010
バラクターダイオード
ショットキーダイオード
スイッチングダイオードの最大定格と電気的特性の例
May. 24. 2010
スイッチングダイオードの逆回復時間
May. 24. 2010
スイッチングダイオードの特性のグラフの例
May. 24. 2010
ショットキーダイオードの最大定格と電気的特性の例
May. 24. 2010
ショットキーダイオードの特性のグラフの例
May. 24. 2010
ショットキーダイオードの特性のグラフの例
May. 24. 2010
バラクターダイオード最大定格と電気的特性の例
May. 24. 2010
バラクターダイオードの特性のグラフの例
May. 24. 2010
表面障壁型ダイオード
• ショットキーダイオードの多くは表面障壁型
– 純粋なショットキーダイオードは逆耐圧が低い
高耐圧のショットキーダイオードは表面障壁型ですが
通称ショットキーダイオードと言っている。
• 多数キャリアのみを利用しているので蓄積効果が無く
逆回復時間が短い。
– スイッチング時間が速いので高周波スイッチングに使用される。
• 放射線検出器では表面の不感領域が殆ど無いのでα線
検出用の半導体検出器に利用されている。
• 非常に薄い酸化膜表面のN型半導体に金等を蒸着する
だけで簡単に制作できる。
– 安定な検出器を作るのは難しい。
• P型の場合はアルミを蒸着する。
– 安定で光を通さないので明るいところでも使用できる。市販品は無い。
May. 24. 2010
バイポーラトランジスタ
• トランジスタの発明
– 構造
• 発明された時の構造は点接触型
– 電極の名前はこの構造から付けられた
エミッター
コレクタ
ベース
May. 24. 2010
バイポーラトランジスタ
プレーナー型トランジスターの構造
•
NPNトランジスタ
– 構造
• 現在はプレーナー構造が主流
コレクター
ベース
エミッター
– 記号
コレクター
ベース
– 特性
•
•
•
•
•
May. 24. 2010
エミッター
hパラメーター
fT ： β=1となる遮断周波数
最大定格：電圧、電流、許容電力、
遮断電流、飽和電圧
逆回復時間
コレクターを構成するn型Si基板に
表面から拡散でp型のベースを作る。
次にベースの一部にn型のエミッターを
表面から拡散で作る。
表面が平坦なこの構造が発明された事で
集積回路が制作できる様になった。
NPNトランジスターの特性の例
May. 24. 2010
NPNトランジスターの特性の例
May. 24. 2010
NPNトランジスターの特性の例
May. 24. 2010
バイポーラトランジスタ
プレーナー型トランジスターの構造
• PNPトランジスタ
– 構造
コレクター
• プレーナー構造が主流で基本構造はNPNと同じ
• PNPでは基板がn型でベースはp型を拡散で作り、
更にP型を拡散してエミッターを作る。
– 記号
エミッター
ベース
コレクター
– 特性
•
•
•
•
•
May. 24. 2010
hパラメーター
fT ： β=1となる遮断周波数
最大定格：電圧、電流、許容電力、
遮断電流、飽和電圧
逆回復時間
ベース
エミッター
PNPトランジスターの特性の例
May. 24. 2010
PNPトランジスターの特性の例
May. 24. 2010
電界効果トランジスタ（J-FET）
• 接合型FET
– 構造
Nチャネル接合型FET
Nチャネル
空乏層
ドレイン
ソース
ゲート
– 記号
D
ゲート
– 特性
•
•
•
•
•
May. 24. 2010
G
ドレイン
S ソース
D ドレイン
ゲート G

IDSS ： VGS=0V の時の ID
IGSS ：ゲート遮断電流
|Yfs| ：順方向伝達アドミッタンス
VGS(off) ：ゲート・ソース遮断電流
Ciss ：入力容量
S
ソース
Nチャネル接合型FETの例
May. 24. 2010
Nチャネル接合型FETの例
May. 24. 2010
Nチャネル接合型FETの例
May. 24. 2010
Nチャネル接合型FETの例
May. 24. 2010
電界効果トランジスタ（MOS-FET）
エンハンスメント型MOSFET
• MOS型FET
デプリーション型MOSFET
金属ゲート
金属ゲート
– 構造
ゲート
ソース
N+
ゲート
ドレイン
ソース
酸化膜
N+
P
N+
N反転層チャンネル
– 記号
ドレイン
ゲート
– 特性
•
•
•
•
•
May. 24. 2010
IDSS ：
IGSS ：
|Yfs| ：
VGS(off)
Ciss ：
ドレイン
ゲート
ソース
N-MOS
VGS=0V の時の ID
ゲート遮断電流
順方向伝達アドミッタンス
：ゲート・ソース遮断電流
入力容量
ソース
P-MOS
P
ドレイン
酸化膜
N+
Nチャネル
NチャネルMOS-FETの例
May. 24. 2010
NチャネルMOS-FETの例
May. 24. 2010
NチャネルMOS-FETの例
May. 24. 2010
NチャネルMOS-FETの例
May. 24. 2010
等価回路
• 回路の機能をモデル化してL、C、R、電圧源、電流源で表した回路
• 等価回路の例
hパラメーター等価回路
Tパラメーター等価回路
– トランジスター
ib
βIb
Ic
rb
B
Ib
re
Ie
– FET
(1-α)rc
C
vce
vbe
C
1/hoe
E
hrevce
E
D
zgs
vgs
gmvgs
hfeib
B
ig
G
hie
vds
rd
S
– 増幅器
簡単な増幅回路の等価回路
FET
vo
vi
RL
CL
May. 24. 2010
Vo=−gmviZL
1/ZL=1/RL+jωCL
２端子回路網
• ２端子回路網
– 鳳・テブナンの定理
解放電圧：vo
短絡電流：is
出力抵抗：ro
ro=vo/is
vo
vo
is
１／ro=1/r1+1/r2
出力抵抗は内
部の電圧源を
短絡して合成
抵抗を計算す
る。
r1
vo
r2
– ノートンの定理
ro
vo
May. 24. 2010
is=vo/ro
ro
ro
vo
２端子回路網の例
検出器の等価回路
検出器の静電容量
電流源
Cd
i(t)
Q(t) 

t
 i(u)du
0
Apr. 26. 2010


出力電圧
Q(t)
v(t) 
Cd
4端子回路網
I2
I1
V1
 .  . .  . 
V.1 A. B. V.2 

C D

I1 
 
I2 

.
基本行列
.
.
.
A
D.B C.  1
.
1
回路網
1’
.  . 
.   .
Y12 V1 
I.1  Y11
.
.
.





I2  Y21 Y22V2 

アドミッタンス行列
2
2’
V2
. . 
 .   .
V.1  Z.11 Z.12 I.1 

V2 
 
Z 21 Z 22

I2 

インピーダンス行列
.  . 
 .   .
h12 I1 
V.1 h11
.
.
.





I2  h21 h22V2

ハイブリッド行列
A  (V1/V2 )
I20


出力端子を開放した時の電圧V
1とV2の比
B  (V1/I2 )V20
出力を短絡した時のV1とI2の比：短絡伝達インピーダンス
C  (I1/V2 )I 2  0
出力端子を開放した時のI1とV2の比：開放伝達アドミッタンス
D  (I1/I2 )V2  0
出力端子を短絡した時の電流I1とI2の比
.
.
.
.
.
.
.
.
.
May. 24. 2010
４端子回路網の縦続接続
.
.
I1
.
V1
.
.
A1
B1
.
.
I2
.

V2

Z2
.
.
A2
B2
.
.
C2
D2
 .   .
V.2  A. 2

I2 
 
C2
 .  . .  . 
V.1A. B. V3 

C D

I3 

I1 
 


May. 24. 2010
.

.
.  .
 .  

V
A
B
1
1
1
 .   .
V2 
.

I2 

I1 
 
C1 D


.
Z1
C1 D1

.
I3
.
V3

 . 
B. 2 V3
D2 
I3 


.

.
Z3
入力インピーダンス無限大、出力インピーダンスゼロの増幅器で
結合した場合の伝達関数
G1(s)
.
I1
.
V1
.
.
A1
B1
.
.
C1

Z1'
D1



.
May. 24. 2010
I2
Z
.
.
V2
V2


であれば


.

.
A2
B2
.
.
C2
D2
I3
.
V3


.
V3 = G1(s) ・G2(s)・ V1

.
.
Z 2'  0
'
1
.
'
2
.
Z 
Z1'   , Z 2'  0

.
.


G2(s)
.
.

.
Z3

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