半導体3【電験3種 理論】電界効果トランジスタ(FET)の記述の誤りを判定する!令和6年度下期 A問題11 完全解説

電験3種 理論科目 電子理論(半導体等) 令和6年度下期 A問題11 FETは電圧で電流を操る!記述の誤りはどこ?

今回は令和6年度下期 理論科目 A問題11を解説します。電界効果トランジスタ(FET)の分類や動作に関する5つの記述のうち、誤っているものを選ぶ問題です。

FETは接合形(JFET)とMOS形(MOSFET)に分類され、MOS形はさらにデプレション形とエンハンスメント形に分かれます。両者の違い(ゲート電圧0のときチャネルがあるか)が本問のポイントです。

目次

令和6年度下期 理論科目 A問題11:問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

電験3種 理論科目 半導体等 令和6年度下期 A問題11 問題文
令和6年度下期 理論科目 A問題11 問題文

出典:一般財団法人 電気技術者試験センター「令和6年度下期 第三種電気主任技術者試験」理論科目 A問題11

電験3種 理論科目 【電子理論(半導体等)】 令和6年度下期 A問題11

 電界効果トランジスタ(FET)に関する記述として、誤っているものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

(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の電流の通路には、n形とp形がある。
(3)MOS形はデプレション形とエンハンスメント形に分類できる。
(4)ゲート電圧で自由電子又は正孔の移動を制御できる。
(5)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。

出題のポイント:エンハンスメント形はノーマリオフ

FETに関する5つの記述から、誤りを1つ選ぶ問題です。急所は(5)——「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」という記述が誤りです。

エンハンスメント(enhancement)は「増強」という意味です。ゲート電圧をかけて初めてチャネルが「作られる」——電圧をかけないとチャネルはありません

MOS形の2つのタイプ
$$\text{デプレション形:}V_{GS}=0\text{ でもチャネルあり(ノーマリオン)}$$

エンハンスメント形は \(V_{GS}=0\) でチャネルなし(ノーマリオフ)——正反対です。

「ゲート電圧に関係なくチャネルができる」のはデプレション形です。(5)の記述は、デプレション形の説明をエンハンスメント形に貼り付けたもの——典型的な入れ替えです。

FETを接合形とMOS形、nチャネルとpチャネル、MOS形をデプレッション形とエンハンスメント形に分類し、ゲート電圧でドレーン・ソース電流を制御する仕組みを示す解説
FETはゲート電圧でチャネルの導電性を変える電圧制御素子です。(1)~(4)は分類と制御原理に一致します。

解説:5つの記述を1つずつ検証する

選択肢内容判定根拠
(1)接合形とMOS形に分類できるゲートの構造による分類
(2)電流の通路にはn形とp形があるnチャネルとpチャネル
(3)MOS形はデプレション形とエンハンスメント形動作による分類
(4)ゲート電圧で自由電子または正孔の移動を制御電圧制御・ユニポーラ
(5)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×デプレション形の説明(★誤り)

(4)の「自由電子【または】正孔」という表現にも注目してください。「または」=どちらか一方——これがユニポーラの意味です。バイポーラなら「および」になります

(2)の「電流の通路」はチャネルのことです。nチャネルとpチャネルの両方がある——CMOSはこの2つを組み合わせた回路です。

nチャネル・エンハンスメントMOSFETについて、VGSがゼロではチャネルがなく、VGSがしきい値Vthを超えると反転層が形成される過程を断面図で示す解説
エンハンスメント形はノーマリオフです。適切なゲート電圧を加えることで反転層、すなわちチャネルが形成されます。
FETに関する五つの記述を一つずつ判定し、エンハンスメント形のチャネル形成はゲート電圧に依存するため誤りは選択肢5と確認する解説
「ゲート電圧に関係なく」が誤りです。公式解答どおり、誤っているものは選択肢(5)です。
答え誤っているのは「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」 → 選択肢(5)

誤答の正体:2つのタイプの入れ替え

(5)は「エンハンスメント形」を「デプレション形」に変えれば正しい記述になります。素子名の1語だけ差し替えられている——典型的な手口です。

デプレション形(空乏形)エンハンスメント形(増強形)
\(V_{GS}=0\) のときチャネルがある(ノーマリオン)チャネルがない(ノーマリオフ)
電流を流すには何もしなくてよいしきい値以上の電圧が必要
電流を止めるには逆電圧でチャネルを狭める電圧をゼロにする
名前の意味空乏化させて減らす増強して作る
主な用途アナログ回路デジタル回路・パワー

名前が動作を表していますデプレション(depletion)=枯渇・空乏——もともとあるチャネルを空乏化させて減らすエンハンスメント(enhancement)=増強——ないチャネルを作り出す

⚠️ よくある間違い
接合形FET(JFET)はすべてデプレション形です。ゲートに逆電圧を加えてチャネルを狭める——エンハンスメント形のJFETは存在しません2つのタイプがあるのはMOS形だけです。

☝️ ひっかけの作り方:「ゲート電圧に関係なく」という表現に注目してください。エンハンスメント形はゲート電圧が命——「関係なく」はあり得ません言葉の矛盾に気づけば即座に判定できます

深掘り①:FETの分類を体系的に整理する

FETの分類は3つの軸があります。組み合わせると全部で6種類になります。

分類の軸種類違い
ゲートの構造接合形/MOS形pn接合か酸化膜か
チャネルの種類nチャネル/pチャネル電子か正孔か
動作デプレション形/エンハンスメント形ノーマリオンかノーマリオフか

ただし接合形はデプレション形しかないので、実際の組合せは「接合形×2+MOS形×4=6種類」です。最もよく使われるのは「MOS形・nチャネル・エンハンスメント形」です。

CMOSはこの6種類のうち2つを組み合わせた回路です。nチャネルとpチャネルのエンハンスメント形MOSFET——相補的に動作させます

深掘り②:ノーマリオンとノーマリオフの実用上の違い

「電圧をかけないときに電流が流れるかどうか」は、安全性に直結する重要な性質です。

ノーマリオン(デプレション形)ノーマリオフ(エンハンスメント形)
制御回路が故障したら電流が流れ続ける(危険)電流が止まる(安全)
スイッチとしての扱いやや扱いにくい直感的で扱いやすい
デジタル回路使いにくい標準

制御が失われたら電流が止まる——これがノーマリオフの安全性です。だからパワーエレクトロニクスでもエンハンスメント形が標準になっています。

SiCやGaNの素子では、構造上ノーマリオンになってしまうものもありますそのままでは危険なので、カスコード接続などで実質ノーマリオフにする工夫がされています。

深掘り③:チャネルの種類と動作の組合せ

nチャネルとpチャネルで、ゲート電圧の向きが逆になります。混乱しやすいので表で整理しましょう。

種類チャネルオンにするゲート電圧キャリヤ
nチャネル・エンハンスメント電子正の電圧電子
pチャネル・エンハンスメント正孔負の電圧正孔
nチャネル・デプレション電子0でもオン(負でオフ)電子

「nチャネルは正の電圧、pチャネルは負の電圧」——チャネルのキャリヤを引き寄せる向きと考えれば分かります。電子(負)は正の電圧に引かれ、正孔(正)は負の電圧に引かれます

nチャネルのほうが高速です。電子の移動度が正孔の約3倍——だから同じ性能ならnチャネルのほうが小さく作れます

深掘り④:正誤問題で狙われるFETの論点

FETの正誤問題で入れ替えられやすい語を、まとめて確認しておきましょう。

狙われる箇所正しい内容よくある誤り
制御方式電圧制御「電流制御」と書く
キャリヤ多数キャリヤのみ(ユニポーラ)「少数キャリヤ」「両方」と書く
入力インピーダンス高い「低い」と書く
デプレション/エンハンスメントノーマリオン/ノーマリオフ逆にする(★本問)
ゲート電圧を上げるとJFETは減、エンハンスメントMOSは増取り違える

この5点を確認すれば、FETの正誤問題はほぼ攻略できます。どれも「逆にする」というシンプルな手口です。

とくに「デプレション/エンハンスメント」の入れ替えは頻出です。名前の意味(空乏/増強)から動作を導けるようにしておきましょう

⏱️ 本番での進め方
❶ エンハンスメント=増強=ないチャネルを作る(ノーマリオフ)
❷ デプレション=空乏=あるチャネルを減らす(ノーマリオン)
❸ 接合形はデプレション形のみ——2タイプあるのはMOS形だけ。
❹ 「ゲート電圧に関係なく」はエンハンスメント形ではあり得ない

💡 覚え方
「エンハンス=増強=作り出す」——ないものを作るのだから、最初はない(ノーマリオフ)「デプレション=空乏=減らす」——減らすものが最初からある(ノーマリオン)英単語の意味がそのまま動作です。

出題履歴:FETの正誤問題は頻出

FETの分類と動作を問う正誤問題は、半導体分野の主力テーマです。「接合形/MOS形」「n/pチャネル」「デプレション/エンハンスメント」——3つの軸で整理しておけば確実に得点できます。

この分野はほぼ毎年どこかで出題されます。手を動かして解ける状態にしておけば、本番で確実に得点できます。

あわせて解いておきたい記事:【理論】令和6年度上期A問題11(バイポーラとFETの対比)【理論】平成23年度A問題11(MOSFETの動作原理)

まとめ

(1)〜(4)正(FETの基本分類・動作)
デプレション形ゲート電圧0でもチャネルあり
エンハンスメント形ゲート電圧でチャネル形成
誤り(5)

▼あわせて解きたい関連問題
・理論科目の過去問一覧(ハブ):【理論】単元別・年度別まとめ

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