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JFET(接合型FET)とは

じぇいふぇっと

ゲートをpn接合でつくり、逆バイアスで広がる空乏層の幅でチャネルを流れる電流を制御する電界効果トランジスタ。多くはゲート電圧0 Vで電流が流れるデプレッション型。

「JFET(接合型FET)」は、2分野の2問の練習問題に出てきます(アナログ・電子回路, パワー半導体など)。

この用語の分野: MOSFET

JFETの構造と動作

JFET(Junction Field-Effect Transistor)は、ゲートをpn接合でつくる電界効果トランジスタです。nチャネルJFETでは、ソースとドレインをつなぐn型のチャネルの両側にp型のゲート領域があり、ゲートとチャネルのpn接合に逆バイアスをかけると空乏層が広がってチャネルが細くなり、電流が減ります。ゲート電圧が0 Vのときに最も多く電流が流れ(IDSS)、逆バイアスを深くしてピンチオフ電圧に達するとチャネルが閉じて電流がほぼ止まります。飽和領域のドレイン電流は、ゲート電圧とピンチオフ電圧の差のおおむね2乗に比例します。

MOSFETとの違い

MOSFETはゲートと半導体の間に絶縁膜を挟むのに対し、JFETはゲートがpn接合で、絶縁膜をもちません。JFETでは接合を逆バイアスに保つ必要があり、順方向に電圧をかけるとゲートに電流が流れてしまいます。逆バイアスでのゲートの漏れ電流は室温でpA〜nA程度と小さいものの、接合のリーク電流なので温度とともに大きく増えます。また、JFETはゲート電圧0 Vで導通するノーマリーオンのデプレッション型が基本で、ノーマリーオフのn型とp型を組み合わせるCMOSのような集積回路には向きません。そのため、集積回路のトランジスタはMOSFETが主流です。

低雑音を生かした用途

JFETでは電流がチャネルの内部を流れ、MOSFETのように絶縁膜との界面の欠陥の影響を受けにくいため、低周波の雑音(1/f雑音)が小さい傾向があります。この特長から、オーディオ用の前置増幅器、センサや測定器の高インピーダンスの入力段、入力バイアス電流がpA級のJFET入力オペアンプなどに使われます。エレクトレットコンデンサマイクロホンの内部でインピーダンスを変換する素子や、ゲートとソースをつないで一定の電流を流す定電流ダイオードも、JFETを利用したものです。

パワー用途と関連する構造

SiCを使ったJFETは高い耐圧と低いオン抵抗をもち、パワー素子としても使われます。ノーマリーオンのままでは電源投入時などに危険なため、低耐圧のSi MOSFETと直列につないだカスコード接続で、ノーマリーオフとして扱う方法がよく使われます。プレーナ型のパワーMOSFETでは、隣り合うp型ボディ領域に挟まれた部分がJFETのようにはたらいて電流の通り道を狭めるため、その抵抗をJFET抵抗と呼びます。また、GaAsなどの化合物半導体では、ゲートをショットキー接合でつくるMESFETが同じ原理で動作します。

JFET(接合型FET)の練習問題に挑戦

バイポーラ入力のオペアンプを使った反転増幅回路で、非反転入力とグラウンドの間に、入力抵抗と帰還抵抗の並列値に等しい抵抗を入れる目的はどれか。

  1. A利得を2倍にするため
  2. B入力バイアス電流による出力のオフセット誤差を打ち消すため
  3. C発振を起こすため
答えと解説を見る

正解：B. 入力バイアス電流による出力のオフセット誤差を打ち消すため

オペアンプの入力端子には入力バイアス電流が流れ、反転入力側から見た抵抗(Ri∥Rf)で電圧降下が生じて出力に誤差が現れます。非反転入力側にも同じ値の抵抗を入れると両入力で同じ電圧降下が起きて打ち消され、残るのは2つのバイアス電流の差(入力オフセット電流)による誤差だけになります。バイアス電流がpA級のCMOS入力やJFET入力のオペアンプでは、通常この抵抗は不要です。

パワーMOSFETで、ゲートをシリコンに掘った溝の中に埋め込むトレンチゲート構造の主な利点はどれか。

  1. Aゲート容量がゼロになる
  2. B耐圧が必ず2倍になる
  3. Cセルを高密度に並べてチャネル幅を増やし、オン抵抗を下げられる
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正解：C. セルを高密度に並べてチャネル幅を増やし、オン抵抗を下げられる

トレンチゲート構造ではチャネルが溝の側壁に縦にできるため、平面(プレーナ)型より単位面積あたりに多くのセルを並べられ、チャネルの総幅が増えます。さらにプレーナ型で隣のセルの間にできる抵抗(JFET抵抗)がなくなり、オン抵抗を下げられます。低耐圧のSi MOSFETやIGBTで主流で、SiC MOSFETでも採用が広がっています(SiCではプレーナ型も広く使われています)。ただし溝の底の角に電界が集中するため、その保護構造が重要です。

よくある質問

MOSFETとJFETの違いは何ですか?

MOSFETはゲートを絶縁膜で半導体から隔て、JFETはゲートをpn接合でつくります。JFETはゲート電圧0 Vで導通するデプレッション型が基本で、ゲートを逆バイアスに保って使います。MOSFETはノーマリーオフの型をつくりやすく、CMOSの集積回路に使われます。

JFETがノーマリーオンなのはなぜですか?

ゲート電圧が0 Vのとき、ソースとドレインの間にはもともとn型(またはp型)のチャネルがつながっていて、電流が流れるからです。ゲートに逆バイアスをかけて空乏層を広げることで、はじめて電流を減らせます。

JFETのゲートに順方向の電圧をかけるとどうなりますか?

ゲートとチャネルのpn接合が順方向にバイアスされ、シリコンではおおむね0.5 Vを超えたあたりからゲートに電流が流れ始めます。入力インピーダンスが高いというJFETの利点が失われるため、通常はゲートを逆バイアスか0 V付近で使います。

解説の中の「JFET(接合型FET)」

「JFET(接合型FET)」が出てくる問題(2問)

  1. バイポーラ入力のオペアンプを使った反転増幅回路で、非反転入力とグラウンドの間に、入力抵抗と帰還抵抗の並列値に等しい抵抗を入れる目的はどれか。
  2. パワーMOSFETで、ゲートをシリコンに掘った溝の中に埋め込むトレンチゲート構造の主な利点はどれか。

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