電界効果トランジスタ

電界効果トランジスタ（FET）

電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor、略称FET）は、半導体の内部で電界を利用して電流の流れを制御するトランジスタです。FETは、平面的な構造を持ち、微細化が進んだ結果、多数の素子を一つの基板に組み込むことが可能です。そのため、現代の集積回路において最も一般的な半導体素子として知られています。特に、スマートフォンやパーソナルコンピュータのCPUには、数億個以上のFETが使用されています。本記事では、主に無機半導体材料（例えばシリコン）を用いたFETに焦点を当てます。

概要

FETはゲート電極に印加される電圧によってチャネルに電界を生成し、電子または正孔の濃度を操作します。これにより、ソース電極からドレイン電極への電流の流れも制御されます。FETは、一般にユニポーラトランジスタと呼ばれ、電子と正孔の両方を利用するバイポーラトランジスタとは異なり、一方のキャリアのみを使用します。また、FETはゲートに電圧駆動を利用するのに対し、バイポーラトランジスタはベースに対する電流駆動により動作します。

FETの主要な種類には、接合型FET（JFET）とMOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor FET）があります。さらに、メタル-半導体接合を利用したMESFETも存在します。FETは、主にn型とp型のチャネルによっても分類されます。

端子構成

FETは、一般的に「ゲート」、「ソース」、「ドレイン」の三つの端子から構成されています。JFETは通常、この3端子のみであり、対称構造を持っています。一方、MOSFETはさらに「バックゲート」または「ボディ」と呼ばれる端子を含むことがあります。これにより、二つのタイプ、すなわちp型チャネル（PMOS）とn型チャネル（NMOS）があります。個別にパッケージされたMOSFETも存在しますが、一般にはソースとバックゲートが接続されていることが多いです。

FETの構造

FETのソースとドレインは対称的な構造を持ち、高耐圧な特殊なMOSFETを除いて物理的な特性に違いはありません。電気的な動作としてp型チャネルでは高電位がソース、低電位がドレインと決定され、n型チャネルの場合はその逆になります。ただし、3端子のMOSFETにおいては内部でソースとバックゲートが直結されるため、これを考慮した設計が必要です。

チャネルの役割

チャネルとは、FETのドレイン・ソース間で電流が流れる領域を指します。n型チャネルでは電子がキャリアとなり、p型チャネルでは正孔がキャリアとして機能します。ゲート電圧の変化に伴い、チャネル内の電界がキャリアを引き寄せたり排除したりすることで、チャネルの抵抗が変動します。これにより、FETの動作が決まります。一般に使用されるCMOS（相補型MOS）は、NMOSとPMOSを組み合わせたものとして広く利用されています。

FETの動作モード

FETは主にエンハンスメントモードとディプレッションモードの二通りの動作方式に分類されます。エンハンスメントモードは、ゲート電圧がかからないときにはチャネルが存在しない状態（ノーマリーオフ）を持ち、一方でディプレッションモードは常に電流が流れる状態（ノーマリーオン）です。これにより、それぞれ異なる応用に適した特性を有することが可能です。

用途

FETはスイッチや増幅器として多くの電子機器に使用されています。特に、MOSFETは消費電力の低さと製造の容易さから、集積回路にとって重要な素子です。デジタル回路では0と1の信号を扱う論理ゲート、アナログ回路ではさまざまな通信機器での信号処理に役立ちます。また、接合型FETは真空管に近い特性を持ち、一部では古い回路設計を適応するために使用されることもあります。さらに、FETの飽和動作は定電流素子としても利用されており、これによりさまざまな電子機器において安定した電流供給が可能になります。たとえば、JFETを用いた定電流ダイオードは、LEDの電流制限などに役立っています。

まとめ

電界効果トランジスタ（FET）は、その特性を生かし、現代の電子機器の基盤を支える重要な素子です。将来的にも新しい材料や技術が開発され、より多様な応用が期待されています。

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