電子回路Ⅰ 第1回(2006/10/16)

電子回路Ⅰ 第４回(2008/10/27)
電界効果トランジスタの動作原理
トランジスタを用いた回路のバイアス
今日の内容

電界効果トランジスタ(FET)とは？
FETの種類
接合型FETの構造
接合型FETの動作原理
MOSFETの構造
MOSFETの動作原理

バイアス回路





電界効果トランジスタとは？

電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor)
電界によってキャリア（電子、正孔）の流れる経
路を変化させて、電流量を制御する素子
原理的には電界（＝電圧）のみ印加
バイポーラトランジスタでは、ベース電流によって
コレクタ電流を制御
FETの種類
•接合型FET
キャリアの移動する経路の幅を変化させて、電流を制御
•MOSFET
キャリアの密度を変化させて、電流を制御
集積回路、メモリなどで頻繁に利用されている
どちらのタイプでもエンハンスメント型とデプレーション型がある
接合型FETの構造（nチャネル）
ゲート
ソース
ドレイン
pn接合（前回の資料より）
p
接合直前
n
アクセプタイオン
接合後
ドナーイオン
空乏層
（空間電荷層）
電位
接合直後
拡散によりキャリアが移動する
位置
pn接合に逆バイアスを印加
p
n
電位
空乏層
（空間電荷層）
位置
バイアスを印加
することにより、
キャリアの存在
できない領域を
制御できる
接合型FETの動作原理
ゲート電圧(VGS)によってチャネル幅を制御
VGSは逆バイアスなので、ゲート－ソース間に電流は流れない
ゲート
ドレイン
ソース
MOSFETの構造（nチャネル）
MOS ・・・ Metal – Oxide - Semiconductor
ゲート電圧とチャネル
VTのTはthresholdの頭文字
VG<0
蓄積モード
0<VG<VT
空乏モード
VG>VT
反転モード
MOSFETの動作原理
ゲート電圧(VGS)によってキャリア密度を制御
酸化膜（絶縁）があるので、ゲート－ソース間に電流は流れない
nチャネルとpチャネル
キャリアは電子
キャリアは正孔
電流の担い手は電子または正孔・・・ユニポーラトランジスタ
エンハンスメント型とデプレーション型
VGS増加で
ID増加
VGS増加で
ID減少
nチャネル、pチャネル、エンハン
スメント型、デプレーション型
VGSとIDの関係は
入力と出力の関係はどのように定義するか？
出力 IC
バイポーラトランジスタでは
I
 C
IE
IC

IB
,：電流増幅率
入力 IB
E
VBE
VCE
RL
IE
FETでは
I D
gm 
VGS V DS
C
B
gm ：相互コンダクタンス
傾き=gm
FETの回路記号
•教科書の記号は古い
•現在は○なし
•G2はSと同電位にする
ことが多い
FET
バイポーラTr
ゲート
ベース
ソース
エミッタ
ドレイン
コレクタ
FETの基本的なバイアス回路
•ゲートには逆バイアスを印加
•ゲート電流は流れない
•ドレイン電流IDは次式で近似できる
 VGS
I D  I DSS 1 
 VP



n
IDSS：VGS=0におけるドレイン電流
VP：ピンチオフ電圧
n=1.5～2
バイアス回路
なぜバイアス回路が必要か？
微小信号iBを入力したとき、
VBEに重畳して増幅する
RB
IBは交流信号（であることが多い）
トランジスタ、FETは負の電流入力
iB
は流せない
直流に交流を重畳して増幅
RC
出力
iCRC
VCC
VCE
VBE
入力と出力の関係
（ダイオードの場合）
出力
入力
動作点の決め方
右の回路でどのようにR1を決めるか？
使用するトランジスタの特性表を参照
R1
VCE
VBE
出力の仕様（電力）によって抵抗RCと電源でVCCが決まる
I C  0のときVCE  VCC
VCE  0のときI C  VCC /RC
負荷線の式
VCC  I C RC  VCE より
1
VCC  VCE 
IC 
RC
使用したい中心のICの値を決める
動作点
I B R1  VBE  VCCより
R1 
1
VCC  VBE 
IB
RC
VCC
FETのバイアス回路（2電源の場合）
（nチャネル、デプレーション型）
VDS  VDD  I D RDより
1
VDD  VDS 
ID 
RD
負荷線
ゲート電流は流れない(IG=0)ので、
RGの値は任意
FETのバイアス回路（1電源の場合）
（nチャネル、デプレーション型）
ゲートバイアス用抵抗
VGS   I D RS
VDS  VDD  I D RD  RS 
一般的には　RD  RS より
ID 
VDD  VDS
RD  RS
Q点を動作点に選ぶと、
 VGS 0.16V
RS 

 53
ID
3.0mA
FETのバイアス回路
（nチャネル、エンハンスメント型）
R1とR2の比でゲート電圧を決める
VGS
R2

VDD
R1  R2
VDS  VDD  I D RD
FETのバイアス回路
（デプレーション、エンハンスメント）
RSを入れると
VGS
+
R2

VDD  I D RS
R1  R2
+
-
RS、 R1、 R2の選び方によって、
VGSは＋にもーにもできる
-
例題
右図において、IDSS=10mA、VP=－
0.80V、n=2.0のJFETをID=2.0mA、
VDS=5.0Vで動作させたい。このときの回
路定数（RD、RS）を求めよ。但しVG=2.0V
とする。
RD
VDS
VG
12V
VGS
RS

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