| □ H17年04月期 A-07 Code:[HC0403] : 電界効果トランジスタの相互コンダクタンスの定義 |
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FET固有のパラメータである、相互コンダクタンスについて、その定義を問う問題です。FETの動作原理を知っていれば解けますので、まずはFETの基礎的問題で知識を得てからかかると楽でしょう。［１］「コンダクタンス」は抵抗の逆数まずはじめに、「コンダクタンス」はインピーダンス [Ω]やインダクタンス [Ω]に比べて、あまり出てこない用語ですが、単位は[S]（シーメンス）で、要するに1/Ωの次元を持つ単位です。抵抗は大きければ大きいほど電流を通しにくいですが、コンダクタンスは大きいほど電流が通りやすい、ということを表します。10 [Ω]＝0.1 [S]で、0.05 [Ω]＝20 [S]といった具合です。 ところで、なぜ、FETの特性を表すのに、抵抗の逆数なのでしょうか？ それは、FETの動作原理である、「電圧で電流を制御する」という機能に由来します。 ［２］コンダクタンスは電圧を電流に変換する係数コンダクタンスのことを考える前に、まず、バイポーラトランジスタ（以下、単にトランジスタと書きます）の場合を考えてみます。トランジスタの「（直流）電流増幅率」はｈFEで表されます。この意味は、「コレクタ電流の変化分ΔⅠCはベース電流の変化分ΔⅠBの何倍か」、つまりｈFE＝ΔⅠC/ΔⅠBということです。ここで思い出していただきたいのは、トランジスタは「ベース電流でコレクタ電流を制御する」素子でした。だから、その制御能力を示すものとして、ベース電流からコレクタ電流への変換係数としてｈFEが使われるわけです。ｈFEが大きければ、少ないベース電流の変化で大きなコレクタ電流を変化させられる、というわけです。 それでは、FETではその「変換係数」はどんなものを使ったらよいでしょう？ FETは、トランジスタと違い、「ゲート電圧の変化分ΔＶGでドレイン電流の変化ΔＩDを得る素子」です。ここで、トランジスタと同じように考えれば、ドレイン電流の変化分をゲート電圧の変化分で割れば、ゲート電圧からドレイン電流への変換係数、が出せます。 | |
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つまり、ΔＩD/ΔＶGがその変換係数に当たります。これが、FETの「相互コンダクタンスｇm」ということになります。確かに、電流を電圧で割った形になっていますから、抵抗の逆数の次元を持つ数です。 実際の特性は、Fig.HC0403_aのようになります。図では接合形FETのデプレッション形の特性を挙げていますが、MOS形（デプレッション・エンハンスメント）でも本質は変わりません。 ここで注意しなければならないのは、第一には、この曲線はドレイン－ソース間電圧ＶDSを一定にして測定しなければならない、ということです。 |
 Fig.HC0403_a 相互コンダクタンスとは |
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ＶDSが異なると、曲線の形も違ってきます。また、第２点は、ゲート電圧によって曲線の傾きが変わるので、たとえＶDSが一定でも、ｇmはＶGに対して一定値ではない、ということです。グラフの曲線の傾きは、場所によって違います。まぁこれは、増幅器を設計する際に必要な知識なので、試験には出ませんが。 相互コンダクタンスが大きい、ということは、小さなゲート電圧の変化で、大きなドレイン電流の変化を得ることができる、ということであり、FETの特性を表す数値になっていることは理解できるかと思います。 接合形FETの特性が出たついでに、ⅠDSSについて調べておきましょう。デプレッション接合形の場合、ゲートはチャネルに対して逆バイアスをかけて使用しますから、Nチャネルの場合ゲート電圧（ソースが基準）は0 [V]より大きな電圧は掛けられません。この（ＶG＝0 [V]）ときに流れるドレイン電流が最大となります。この電流値をⅠDSSといい、FETのもう一つの特性値になっています。ⅠDSSは、製造に起因するバラツキが大きく、ちょうどトランジスタのｈFEのように、その値でランク分けされていることがあります。実回路の設計では、このバラツキにも注意しなければなりません。 それでは、解答に移ります。 ここまででＶGと書いているものは、ゲートソース間電圧です。問題文から、上記の内容とｇmの選択肢を比べれば、ゲート電圧の変化分に対してドレイン電流の変化分を示している、３が正解と分かります。 以下、インチキ解答法？ですが、コンダクタンス（＝1/Ω）の次元を持つ選択肢は１と３しかありません。残りの単位はみなΩです。５択の問題が、いきなり２択の問題になってしまいました。このあたりも、うっかりミスを防ぐコツです。 | |
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