ダイオードとトランジスタ【電験3種-理論】

理論

電験3種の理論で出題されるダイオードとトランジスタについて、初心者の方でも解りやすいように、基礎から解説しています。また、電験3種の試験で、実際に出題された過去問題も解説しています。

ダイオード

ダイオードはp形半導体とn形半導体を接合した場合に発生する、整流作用を持たせた半導体素子です。次の図に示す向きに電圧を加えると、p形半導体にある多数キャリア(正孔)はn形半導体へ、n形半導体にある多数キャリア(自由電子)はp形半導体に移動し、両者は結合して消滅します。これによって流れる電流を「順方向電流」、このような印加電圧の向きを「順方向電圧」といいます。

順方向電圧
順方向電圧

一方、次の図に示す向きに電圧を加えると、p形・n形半導体の多数キャリアは、それぞれの電極方向に方向に引き付けられるため、電流は流れません。このような印加電圧の向きを「逆方向電圧」といいます。

逆方向電圧
逆方向電圧

ダイオードの電圧ー電流特性の例を、次の図に示します。順方向電圧の値を0Vから徐々に上げていった場合、およそ0.6Vを超えたところで順方向電流が流れます。
また、逆方向電圧の値を上げていった場合、ある電圧まではダイオードに電流は流れません。しかし、印加電圧をさらに上げていくと、ある電圧で急激に逆方向電圧が流れます。これを、「ツェナー現象(降伏現象)」といい、このときの電圧を「ツェナー電圧」といいます。ツェナー現象は、広い電流範囲にわたって一定の電圧を得られるため、定電圧を得る目的などに利用されています。

ダイオードの電圧ー電流特性
ダイオードの電圧ー電流特性

定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)

ツェナー現象(降伏現象)による定電圧特性を利用したダイオードです。シリコンダイオードの一種で、逆方向電圧(逆バイアス)で使用します。逆方向電圧を高めていくと、急激に逆電流が増加する降伏現象が現れます。この状態では、逆電流の変化に対し、ダイオードの電圧は一定に保たれる定電圧特性をしめします。この降伏電圧をツェナー電圧いい、数〔V〕から数百〔V〕のものまで得られます。定電圧ダイオードは、安定化電源の電圧基準装置として利用されています。

可変容量ダイオード

pn接合に加える逆方向電圧の大きさによって空乏層の厚さを変化させ、静電容量の値を可変としたダイオードです。この現象に着目し、共振回路(同調回路)に利用されています。

ホトダイオード

光の量により逆電流を制御するダイオードです。pn接合形ダイオードに逆電圧を加えておき、接合部付近に光を照射すると、p側に正電圧、n側に負電圧が発生する現象を利用した素子です。照度とほぼ比例した逆電流が流れます。ホトダイオードは光信号の検出用として利用されています。

発光ダイオード

半導体接合部に、ひ化ガリウム(GaAs)やりん化ガリウム(GaP)等を利用したダイオードです。pn接合部に順方向電流を流すと、電子と正孔の再結合により光を放射します。発光ダイオードは、表示用光源や光通信の送信部の光源として利用されています。電球より消費電力が小さく長寿命です。

レーザダイオード

発光ダイオードに光導波路や反射鏡を組み込んだ素子です。電流を流すことにより、位相のそろった直進性に優れた強い光を出すことができます。

トランジスタ

トランジスタは、p形・n形半導体を3層に接合した電子デバイスです。接合のしかたによって、npn形とpnp形に分けることができます。

トランジスタ
トランジスタ

npn形トランジスタに電圧を加えた例を、次の図に示します。ベースーエミッタ間は、順方向電圧 $V_{BE}$ が加わっているので、エミッタ領域の自由電子はベース領域に引きよせられます。ダイオードの場合は、引きよせられた自由電子は正孔と結合して消滅しますが、トランジスタではベース領域をきわめて薄くつくっているため、大半の自由電子はベース領域を通過してコレクタ領域に到達します。さらに、これらの自由電子はコレクタに接続している電圧 $V_{CE}$ の+極に引きつけられ、エミッターコレクタ間に電流 $I_C$ が流れます。

トランジスタの動作原理
トランジスタの動作原理

ベース領域に取り込まれる自由電子はとても少ないので、ベースーエミッタ間に流れる電流 $I_B$(ベース電流)は数十μAですが、エミッターコレクタ間に流れる電流 $I_C$(コレクタ電流)は非常に大きくなります。エミッタに流れる電流 $I_E$(エミッタ電流)は、$I_E=I_B+I_C$ で、求めることができます。

トランジスタの特性
トランジスタの特性

電圧 $V_{CE}$ は、ある値以上に増加しても、コレクタ電流 $I_C$ にはほとんど影響を与えません。つまり電圧 $V_{CE}$ は主として、ベース領域に達した自由電子をコレクタ領域に取り込むための電圧と考えることができます。

また、エミッタ領域から引きつけた自由電子のうち、ベース領域で消滅するものと、コレクタ領域に到達するものの割合は一定なので、ベース電流 $I_B$ とコレクタ電流 $I_C$ は比例すると考えることができます。したがって、小さなベース電流を変化することで、大きな値のコレクタ電流を変化させることができます。これは、トランジスタの「増副作用」の基本動作となります。尚、トランジスタに直流を加えた場合の電圧と電流の関係をトランジスタの「静特性」といいます。

pnp形トランジスタの動作原理は、接続する電源の向きをnpn形と逆にして、多数キャリアを正孔として考えれば、同様の説明になります。

トランジスタの特性
トランジスタの特性

トランジスタには、増副作用のほかに、デジタル回路などでよく使用される「スイッチング作用」があります。上の図で、ベース電流 $I_B$ を60μAからさらに増加すると、ある電流以上でコレクタ電流 $I_C$ は飽和します。これを利用すると、次の図に示すとおり $I_B$ にある値以上の電流を流した場合にだけ $I_C$ が流れます。つまり、トランジスタを $I_B$ によってON/OFFするスイッチと見立てることができます。このようにトランジスタのスイッチング作用を利用すると、小さな電流 $I_B$ で大きな電流 $I_C$ の制御を行うことができます。

スイッチング作用
スイッチング作用

FET(電界効果トランジスタ)

トランジスタはベースに流す電流の変化によってコレクタ電流を制御しますが、FET(電界効果トランジスタ)は、加える電圧の変化によって電流の流れを制御するトランジスタです。FETは内部の構造によって接合形と絶縁ゲート形(MOS形)に大別することができます。さらにpチャネルとnチャネルに分けることができます。

FETの構造
FETの構造

接合形FET

接合形FETは、n形けい素単結晶に置いたp形ゲートに加える制御電圧の大きさを変えることにより、空乏層を広げたり狭めたりして電流を制御することができます。次の図は、接合形nチャネルFETに電圧を加えた例を示します。

接合形nチャネルFET
接合形nチャネルFET

ゲートーソース間には、逆方向電圧 $V_{GS}$ が加わっているので、これによりpn接合面に空乏層が発生しています。このとき、ドレインーソース間に流れる電流 $I_D$ は、n形半導体中を通過しますが、空乏層領域には流れません。

電流 $I_D$ の通路は「チャネル」といい、空乏層領域が狭いほどチャネルは広くなり、大きな $I_D$ を流すことができます。一方、pn接合の空乏層の大きさは、逆方向電圧 $V_{GS}$ の大きさによって決まるため、 $V_{GS}$ の大きさによって $I_D$ を制御できることになります。また、 $V_{GS}$ によって流れるゲートーソース間の電流は、ダイオードの逆方向と同様に極めて小さいため、FETは非常に大きな入力抵抗を持つと考えることができます。

次の図は、接合形FETの $V_{GS}ーI_D$ と $V_{DS}ーI_D$ 特性を示します。 $V_{GS}$ を増加していくと、空乏層が広がっていき、チャネルをふさいで $I_D$ が流れなくなります。この状態を「ピンチオフ」といい、このときの $V_{GS}$ を「ピンチオフ電圧」といいます。

接合形FETの特性
接合形FETの特性

以上のように $V_{GS}$ を負の領域で使用するFETを「デプレッション形」といいます。これとは逆に $V_{GS}$ を正の領域で使用するFETを「エンハンスメント形」といいます。接合形FETについては、デプレッション形のみになります。

絶縁ゲート形(MOS形)FET

MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)形FETは、酸化膜を介して電極を取り付けた構造をしており、入力抵抗は接合形よりさらに大きくなっています。一般の半導体ではp形とn形の接合層を利用していますが、MOSは金属と半導体の間にけい素酸化物などの極めて薄い絶縁層を挟んでいます。MOS形はデプレッション形とエンハンスメント形に分類できます。

トランジスタは、ベース領域内で少数キャリアと多数キャリアの相互作用でコレクタ電流を制御しているのに対し、FETでは単一に多数キャリアのみでドレイン電流を制御しています。このことから、トランジスタを「バイポーラトランジスタ」、FETを「ユニポーラトランジスタ」と呼びます。

電験3種-理論(電子回路)過去問題

1999年(平成11年)問3

FETは、半導体の中を移動する多数キャリヤを( ア )電圧により生じる電界によって制御する素子であり、接合形と( イ )形がある。次の記号は接合形の( ウ )チャネルFETを示す。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)に記入する字句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

(ア)(イ)(ウ)
(1)ゲートMOSn
(2)ドレインMSIp
(3)ソースDPIn
(4)ドレインMOSp
(5)ゲートDPIn

1999年(平成11年)問3 過去問解説

FETは、半導体の中を移動する多数キャリヤを( ゲート )電圧により生じる電界によって制御する素子であり、接合形と( MOS )形がある。次の記号は接合形の( n )チャネルFETを示す。

答え(1)

2001年(平成13年)問6

発光ダイオード(LED)に関する次の記述のうち、誤っているのはどれか。

(1)主として表示用光源及び光通信の送信部の光源として利用されている。
(2)表示用として利用される場合、表示用電球より消費電力が小さく長寿命である。
(3)ひ化ガリウム(GaAs)、りん化ガリウム(GaP)等を用いた半導体接合部を利用する。
(4)電流を順方向に流した場合、pn接合部が発光する
(5)発光ダイオードの順方向の電圧降下は、一般に0.2[V]程度である。

2001年(平成13年)問6 過去問解説

発光ダイオードの順方向の電圧降下は、一般に2[V]で、電流は10[mA]程度です。 従って(5)の記述が誤りです。

答え(5)

2003年(平成15年)問10

バイポーラトランジスタと電界効果トランジスタ(FET)に関する記述として、誤っているのは次のうちどれか。

(1)バイポーラトランジスタは、消費電力がFETより大きい。
(2)バイポーラトランジスタは電圧制御素子、FETは電流制御素子といわれる。
(3)バイポーラトランジスタの入力インピーダンスは、FETのそれよりも低い。
(4)バイポーラトランジスタのコレクタ電流は自由電子及び正孔の両方が関与し、FETのドレーン電流は自由電子又は正孔のどちらかが関与する。
(5)バイポーラトランジスタは、静電気に対してFETより破壊されにくい。

2003年(平成15年)問10 過去問解説

バイポーラトランジスタは電流制御素子で、FETは電圧制御素子です。従って(2)の記述が誤りです。 

答え(2)

2004年(平成16年)問10

電界効果トランジスタ(FET)に関する記述として、誤っているものは次のうちどれか。

(1)接合形とMOS形に分類することができる。
(2)ドレーンとソースとの間に電流の通路には、n形とp形がある。
(3)MOS形はデプレッション形とエンハンスメント形に分類できる。
(4)エンハンスメント形はゲート電圧に関係なくチャネルができる。
(5)ゲート電圧で自由電子又は正孔の移動を制限できる。

2004年(平成16年)問10 過去問解説

MOS形のエンハンスメント形は、ゲート電圧が加わっていなとチャネルが構成されません。従って(4)の記述が誤りです。

答え(4)

2005年(平成17年)問10

半導体素子に関する記述として、誤っているのは次のうちどれか。

(1)サイリスタは、p形半導体とn形半導体の4層構造を基本とした素子である。
(2)可変容量ダイオードは、加えている逆方向電圧を変化させると静電容量が変化する。
(3)演算増幅器の出力インピーダンスは、極めて小さい。
(4)pチャネルMOSFETの電流は、ドレーンからソースに流れる。
(5)ホトダイオードは、光が照射されると、p側に正電圧、n側に負電圧が生じる素子である。

2005年(平成17年)問10 過去問解説

演算増幅器はオペアンプといわれ、入力インピーダンスは大きくても小さくても対応できるようになっています。出力インピーダンスは大きな負荷が接続できるように、小さなインピーダンスになっています。

pチャネルMOSFETのチャネル内のキャリアは、ソースからドレーンに向けて移動します。ドレーンは負の電極を接続し正孔の吐き出し口として、ソースは正の電極を接続して正孔の供給口になります。 つまり、電流の向きがドレーンからソースに向かう方向となります。従って(3)の記述が誤りです。

答え(4)

2007年(平成19年)問11

次の文章は、それぞれのダイオードについて述べたものである。

  • 可変容量ダイオードは、通信機器の同調回路などに用いられる。このダイオードは、pn接合に( ア )電圧を加えて使用するものである。
  • pn接合に( イ )電圧を加え、その値を大きくしていくと、降伏現象が起きる。この降伏電圧付近では、流れる電流が変化しても接合両端の電圧はほぼ一定に保たれる。定電圧ダイオードは、この性質を利用して所定の定電圧を得るようにつくられたダイオードである。
  • レーザダイオードは光通信や光情報機器の光源として利用され、pn接合に( ウ )電圧を加えて使用するものである。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)及び(ウ)に当てはまる語句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

(ア)(イ)(ウ)
(1)逆方向順方向逆方向
(2)順方向逆方向順方向
(3)逆方向逆方向逆方向
(4)順方向順方向逆方向
(5)逆方向逆方向順方向

2007年(平成19年)問11 過去問解説

  • 可変容量ダイオードは、通信機器の同調回路などに用いられる。このダイオードは、pn接合に( 逆方向 )電圧を加えて使用するものである。
  • pn接合に( 逆方向 )電圧を加え、その値を大きくしていくと、降伏現象が起きる。この降伏電圧付近では、流れる電流が変化しても接合両端の電圧はほぼ一定に保たれる。定電圧ダイオードは、この性質を利用して所定の定電圧を得るようにつくられたダイオードである。
  • レーザダイオードは光通信や光情報機器の光源として利用され、pn接合に( 順方向 )電圧を加えて使用するものである。

答え(5)

2011年(平成23年)問11

次の文章は、電界効果トランジスタに関する記述である。

図に示すMOS電界効果トランジスタ(MOSFET)は、p形基板表面にn形のソースとドレーン領域が形成されている。また、ゲート電極は、ソースとドレーン間のp形基板表面上に薄い酸化膜の絶縁層(ゲート酸化膜)を介して作られている。ソースSとp形基板の電位を接地電位とし、ゲートGにしきい値電圧以上の正の電圧 $V_{GS}$ を加えることで、絶縁層を隔てたp形基板表面近くでは、( ア )が除去され、チャネルと呼ばれる( イ )の薄い層ができる。これによりソースSとドレーンDが接続される。この $V_{GS}$ を上昇させるとドレーン電流 $I_D$ は( ウ )する。
また、このFETは( エ )チャネルMOSFETと呼ばれている。

上記の記述中の空白個所(ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)に当てはまる組み合わせとして、正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ

(ア)(イ)(ウ)(エ)
(1)正 孔電 子増 加
(2)電 子正 孔減 少
(3)正 孔電 子減 少
(4)電 子正 孔増 加
(5)正 孔電 子増 加

2011年(平成23年)問11 過去問解説

図に示すMOS電界効果トランジスタ(MOSFET)は、p形基板表面にn形のソースとドレーン領域が形成されている。また、ゲート電極は、ソースとドレーン間のp形基板表面上に薄い酸化膜の絶縁層(ゲート酸化膜)を介して作られている。ソースSとp形基板の電位を接地電位とし、ゲートGにしきい値電圧以上の正の電圧 $V_{GS}$ を加えることで、絶縁層を隔てたp形基板表面近くでは、( 正孔 )が除去され、チャネルと呼ばれる( 電子 )の薄い層ができる。これによりソースSとドレーンDが接続される。この $V_{GS}$ を上昇させるとドレーン電流 $I_D$ は( 増加 )する。
また、このFETは( n )チャネルMOSFETと呼ばれている。

答え(1)

2012年(平成24年)問11

半導体集積回路(IC)に関する記述として、誤っているものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(1)MOS ICは、MOSFETを中心としてつくられたICである。
(2)ICを構造から分類すると、モノリシックICとハイブリッドICに分けられる。
(3)CMOS ICは、nチャネルMOSFETのみを用いて構成されるICである。
(4)アナログICには、演算増幅器やリニアICなどがある。
(5)ハイブリッドICでは、絶縁基板上に、ICチップや抵抗、コンデンサなどの回路素子が組み込まれている。

2012年(平成24年)問11 過去問解説

CMOSは相補形MOSのことで、P形とN形のMOSFETをディジタル回路の論理ゲート等で相補的に利用する回路方式やICです。「相補形」というのは、pチャネルとnチャネル のMOSFETを相補的に用いることをいいます。従って(3)の記述が誤りです。

答え(3)

2014年(平成26年)問12

半導体のpn接合を利用した素子に関する記述として、誤っているものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(1)ダイオードにp形が負、n形が正となる電圧を加えたとき、p形、n形それぞれの領域の少数キャリヤに対しては、順電圧と考えられるので、この少数キャリヤが移動することによって、極めてわずかな電流が流れる。
(2)pn接合をもつ半導体を用いた太陽電池では、そのpn接合部に光を照射すると、電子と正孔が発生し、それらがpn接合部で分けられ電子がn形、正孔がp形のそれぞれの電極に集まる。その結果、起電力が生じる。
(3)発光ダイオードのpn接合領域に順電圧を加えると、pn接合領域でキャリヤの再結合が起こる。再結合によって、そのエネルギーに相当する波長の光が接合部付近から放出される。
(4)定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)はダイオードにみられる順電圧・電流特性の急激な降伏現象を利用したものである。
(5)空乏層の静電容量が、逆電圧によって変化する性質を利用したダイオードを可変容量ダイオード又はバラクタダイオードという。逆電圧の大きさを小さくしていくと、静電容量は大きくなる。

2014年(平成26年)問12 過去問解説

定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)はダイオードにみられる逆電圧・電流特性の急激な降伏現象を利用したものです。従って(4)の記述が誤りです。

答え(4)

2015年(平成27年)問11

次の文章は、半導体レーザ(レーザダイオード)に関する記述である。

レーザダイオードは、図のような3層構造を成している。p形層とn形層に挟まれた層を(  ア  )層といい、この層は上部のp形層及び下部のn形層とは性質の異なる材料で作られている。前後の面は半導体結晶による自然な反射鏡になっている。
レーザダイオードに(  イ  )を流すと、(  ア  )層の自由電子が正孔と再結合して消滅するとき光を放出する。
この光が二つの反射鏡の間に閉じ込められることによって、(  ウ  )放出が起き、同じ波長の光が多量に生じ、外部にその一部が出力される。光の特別な波長だけが共振状態となって(  ウ  )放出が誘起されるので、強い同位相のコヒーレントな光が得られる。

上記の記述中の空白箇所( ア )、( イ )及び( ウ )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)
(1)空 乏逆電流二 次
(2)活 性逆電流誘 導
(3)活 性順電流二 次
(4)活 性順電流誘 導
(5)空 乏順電流二 次

2015年(平成27年)問11 過去問解説

レーザダイオードは、図のような3層構造を成している。p形層とn形層に挟まれた層を( 活性  )層といい、この層は上部のp形層及び下部のn形層とは性質の異なる材料で作られている。前後の面は半導体結晶による自然な反射鏡になっている。
レーザダイオードに(  順電流  )を流すと、(  活性 )層の自由電子が正孔と再結合して消滅するとき光を放出する。
この光が二つの反射鏡の間に閉じ込められることによって、(  誘導  )放出が起き、同じ波長の光が多量に生じ、外部にその一部が出力される。光の特別な波長だけが共振状態となって(  誘導  )放出が誘起されるので、強い同位相のコヒーレントな光が得られる。

答え(4)

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