【R4 上期 電験3種 理論 問11】FETのゲートへの逆方向電圧印加時の動作原理に関する論説問題

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この記事では、令和4年度 上期 電験3種 理論 問11の過去問解説をします。

令和4年度 上期 電験3種 理論 問11

次の文章は,電界効果トランジスタ (FET) に関する記述である。

図は, n チャネル接合形 FET の断面を示した模式図である。ドレーン (D) 電極に電圧 VDS を加え,ソース (S) 電極を接地すると, n チャネルの (ア) キャリヤが移動してドレーン電流 ID が流れる。ゲート (G) 電極に逆方向電圧 VGS を加えると, pn 接合付近に空乏層が形成されて n チャネルの幅が (イ) し,ドレーン電流 ID が (ウ) する。このことから FET は (エ) 制御形の素子である。

上記の記述中の空白箇所(ア)~(エ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(ア) (イ) (ウ) (エ)
(1) 小数 減少 増加 電流
(2) 小数 増加 増加 電流
(3) 多数 増加 減少 電圧
(4) 多数 減少 減少 電流
(5) 多数 減少 減少 増加

解答・解説

この問題の正解は(5)になります。

では、詳細解説をしていきます。

p形半導体とn形半導体の多数キャリア

シリコン(価電子数4)のみで構成されている真性半導体は、隣り合うシリコンが電子を1個ずつ出し合い、2個の原子を通して共有結合えおした結晶構造をしています。

ここに不純物としてリン(価電子数5)を注入すれば、シリコン結晶の中にリンが共有結合で取り込まれますが、共有結合を構成しない電子が自由電子となってキャリアになります。

これをn形半導体といい、キャリアが電子になります。

一方で、不純物としてホウ素(価電子数3)を注入すれば、同様にホウ素がシリコンの結晶内部に取り込まれますが、この時に共有結合に不足する電子の部分が正孔となります。

これをP形半導体といい、キャリアは正孔になります。

ゲート極板の電圧と空乏層

PN接合の半導体には、電子も正孔も存在しない空乏層があります。

順方向電圧を印加すれば空乏層が消滅し電流が流れますが、逆方向電圧を印加すれば、空乏層が拡大し、電流が流れません。

FETではこれが応用されており、空乏層の幅を変化させることで、電子の流れる幅を調整し、ドレーン電流を調整しています。

FETは電圧制御形の素子

FETのゲートは絶縁されており電流は流れません。

よって、FETは電圧制御形の素子になります。

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