FETの基礎と最新動向：MOSFET・JFETを中心に動作原理・主要式・設計のポイントを解説

2025年11月20日 最終更新日時 : 2025年11月20日 エバープレイ編集部

FETとは — 概要

FET（Field-Effect Transistor、電界効果トランジスタ）は、半導体に形成された導電チャネルに電界をかけることで電流を制御する能動素子です。ゲート（Gate）で印加した電圧によりチャネルのキャリア濃度やポテンシャルが変化し、ソース（Source）とドレイン（Drain）間の電流を制御します。FETは高入力インピーダンスや低ノイズ特性を持つため、アナログ増幅、デジタルロジック、電力変換、RF用途など幅広い分野で使われています。

基本構造と動作原理

代表的なFETは、ゲート、ソース、ドレイン、基板（ボディ、Bulk）から構成されます。ゲートに電圧を与えると、絶縁体（MOSFETでは酸化膜）を介して半導体内部の電界が変化し、チャネルのキャリア（電子または正孔）の濃度を変えます。チャネルが形成されればソースからドレインへ電流が流れます。主な動作領域は次の通りです。

  • カットオフ（遮断）: ゲート電圧が閾値未満で、ほとんど電流が流れない領域。
  • 線形（トライオード）領域: Vdsが小さく、チャネル抵抗に従う領域。スイッチの抵抗として扱うことが多い。
  • 飽和（アクティブ）領域: Vdsがある程度大きく、電流がゲート電圧により決まる領域（増幅用途で利用）。

主な種類

  • JFET（ジャンクションFET）: p-n接合をゲートに使用し、電圧でチャネルをピンチオフして制御する。古典的で構造が単純。
  • MOSFET（Metal–Oxide–Semiconductor FET）: ゲートとチャネルの間に酸化膜（絶縁体）を持つ最も一般的なFET。CMOS論理回路やパワーMOSFETなど用途が広い。
  • MESFET、HEMT（高電子移動度トランジスタ）: 化合物半導体（GaAs, GaN, AlGaNなど）を用いた高周波・高電子移動度デバイス。
  • FinFET、GAA（Gate-All-Around）: 3次元構造を持つスケーリング世代のFET。短チャネル効果抑制のために利用される。
  • IGBT（厳密にはバイポーラ+MOSのハイブリッド）: 高電力用途で用いられる素子。MOSとBJTの利点を併せ持つ。

代表的なパラメータと主要方程式

設計・解析でよく使われる式をいくつか示します（長チャネル近似）。

  • JFET（Shockleyの方程式）: Id = Idss * (1 - Vgs / Vp)^2 （Vpはピンチオフ電圧、IdssはVgs=0時の飽和電流）
  • MOSFET（飽和領域、二次モデル）: Id = (1/2) * μ * Cox * (W/L) * (Vgs - Vth)^2 * (1 + λVds)

    （μ: キャリア移動度、Cox: 単位面積あたりの酸化膜容量、W/L: 幅/長さ比、Vth: 閾値電圧、λ: チャネル長変調係数）
  • 線形領域（小Vds）: Id ≈ μ * Cox * (W/L) * [(Vgs - Vth) * Vds - Vds^2/2]
  • 小信号トランスコンダクタンス: gm = ∂Id/∂Vgs ≈ μ * Cox * (W/L) * (Vgs - Vth) （飽和付近の近似: gm ≈ 2Id/(Vgs - Vth)）
  • ボディ効果（閾値電圧が基板バイアスで変化）: Vth = Vth0 + γ ( sqrt(2φf + Vsb) - sqrt(2φf) )
  • サブスレッショルドスイング（理想的な下限）: S_min ≈ (kT/q) * ln(10) ≈ 60 mV/dec（常温） — 実際はこれより悪化することが多い

特性と利点・欠点

  • 高入力インピーダンス: ゲートは絶縁体越しに制御する（MOSFET）ため入力電流が非常に小さい。アナログ入力段やセンサーに有利。
  • 低ノイズ設計が可能: JFETやMOSFETは設計次第で低雑音動作が得られる。
  • スイッチング速度: MOSFETは高速スイッチングが可能でデジタル回路の主役（CMOS）。
  • 短所としては、リーク電流、短チャネル効果、閾値電圧ばらつき、絶縁破壊などが課題。

スケーリングと短チャネル効果

トランジスタを微細化（チャネル長短縮）すると性能/集積度は向上しますが、以下のような問題が出ます。

  • DIBL（Drain-Induced Barrier Lowering）: ドレイン電圧によりバリアが下がり、閾値電圧が低下してリークが増える。
  • サブスレッショルドリーク増加とサブスレッショルドスロープ悪化。
  • チャネル長変調による出力特性の傾き（λの増加）。
  • 対策: 高k絶縁体の導入、金属ゲート、低抵抗チャネル材料、FinFETやGAAなどの3D構造導入。

材料とプロセス

Si（シリコン）が最も一般的ですが、高周波・高耐圧用途ではGaAs、GaN、SiCなどが使われます。GaN HEMTは高周波・高出力用途、SiC MOSFETは高温・高電圧スイッチングで注目されています。微細化に伴い、ゲート絶縁の高誘電率材料（高-k）や金属ゲートが必須になりました。

FETとBJTの比較

  • 入力: FETは電圧駆動（高入力インピーダンス）、BJTは電流駆動（ベース電流が必要）。
  • ノイズ特性: FETは低ノイズが得やすく、MOSFETはスイッチングで有利。
  • 飽和時の電圧降下やオン抵抗: パワーMOSFETは低Rds(on)化されているが、大電流領域ではIGBTやBJTが有利な場合もある。

主な応用例

  • デジタル回路: CMOSロジック、マイクロプロセッサ、メモリ。
  • アナログ: 増幅器、差動回路、バッファ。
  • 電力変換: パワーMOSFET、SiC/GaNデバイスによるインバータ、DC-DCコンバータ。
  • RF: HEMTやMESFETを用いた高周波アンプやトランシーバ。

測定と設計上の注意点

  • 温度依存性: 移動度、閾値、リークは温度で大きく変わるため、熱設計が重要。
  • 寄生容量（Cgs, Cgd）: スイッチング速度や安定性に影響。ゲートドライバ設計で考慮が必要。
  • 寄生インダクタンスやパッケージ熱抵抗: 高速・大電流時に性能劣化やオーバーヒートを招く。
  • バイアスの最適化: ゲート過電圧、ソース・ボディ接続、保護回路（Zener, TVS）などを適切に設計する。

今後の技術動向

微細化の限界に対して、FinFETやGAAといった3Dチャネル構造が採用され、さらには2次元材料（グラフェン、遷移金属ダイカルコゲナイド）や新材料チャネルの研究が進んでいます。高周波・高出力用途ではGaN/SiCデバイスの商用化が進展しており、電動車や再生可能エネルギー分野での採用が拡大しています。

まとめ

FETは電界でチャネルを制御するトランジスタで、MOSFETを中心に現代の電子機器に不可欠な素子です。基本原理は単純ですが、微細化・高速化・高電力化に伴う物理現象（短チャネル効果、熱・リークなど）や材料・プロセスの選定が設計の鍵になります。用途に応じてJFET、MOSFET、HEMT、FinFET、SiC/GaNデバイスなどを適切に選ぶことが重要です。

参考文献

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