電子デバイス／絶縁ゲート電界効果トランジスタ

９．ＩＧＦＥＴの記号と基本的な回路

　前項まででＩＧＦＥＴそのものの説明は大体終わりましたが、これをどのように使うのかについてはあまり説明していません。ここでは半導体デバイスについてのお話が主で、電子回路にはあまり立ち入るつもりはありませんが、とはいってもトランジスタが使われるのは電子回路のなかでですから少しは説明したいと思います。

　いろいろ前置きするよりもＩＧＦＥＴを使うためのつなぎ方から入った方がわかりやすいかもしれません。図９－１を見て下さい。ＩＧＦＥＴのソース－ドレイン間に直流電源である電池と抵抗器ＲＬがつないであります。それからソースとバックゲート電極をつないだところに何やらコマのようなマークが書かれています。

　これとほとんど同じつなぎ方をした図が最初に紹介したアメリカ特許（1)(2)のFig.１に載っています（図３－１参照）。実はこのつなぎ方がＩＧＦＥＴをアナログ用またはデジタル用に使うときの基本になります。

　ここで重要なのは抵抗器ＲＬの役割です。電子回路における抵抗器はどのようなはたらきをするか、説明しておきます。抵抗器は銅線のような導体よりは電流が流れにくいものですが、かといってＳｉＯ_２のような絶縁体のように電流がほとんど流れないものでもない中間的なものです。半導体はこの部類に属すると言えますが、半導体デバイスはｐ型やｎ型を作る必要があるので、きちんとした結晶である必要があります。普通の抵抗器にはそのような必要はありません。とはいってもいろいろな値の抵抗値をもったものを用意しなければならないので、うまく抵抗値が調整できることが必要で、またできるだけ温度など周りの条件で変化しないことが必要です。古くから炭素や金属の薄い膜を使い、膜の厚さや面積で抵抗値を調節したものが使われています。

　抵抗器というと電流を流しにくくするというイメージが沸くかも知れませんが、電子回路のなかでは電流を電圧に変換するという役割が重要です。ある抵抗器に直流電流を流すとその電流値と抵抗値の積に等しい電圧が抵抗器の両端に発生します。１アンペアの電流をある抵抗器に流したとき、その両端に１ボルトの電圧が発生したら、その抵抗器の抵抗値は１オームであると言います。１アンペアで100ボルトが発生したら100オームです。この関係が有名なオームの法則です。

　これまで説明してきたようにＩＧＦＥＴではゲートに加える電圧によってソース－ドレイン間に流れる電流をコントロールすることができます。でもソース－ドレイン間に電池を導線でつないだだけでは、この電流の変化を取り出して利用することができません。ここに抵抗器ＲＬ（負荷抵抗と言います）を入れるとソース－ドレイン間に流れる電流に比例した電圧がこの負荷抵抗の両端に発生します。この発生した電圧を別のＩＧＦＥＴや別の部品につなげればいろいろ利用することができるのです。

　さきほどのコマのようなマークですが、これは大地につなぐこと（接地と言います）を意味します。地球上では大地を巨大な導体とみなしてここを電位の基準、すなわち０Ｖとします。家庭に来ている100Ｖの電源も大地を基準にしています。大地は英語でアースとかグランドとか言われます。電気洗濯機や電子レンジは接地する（俗に、アースをとる、とも言います）ように奨められています。これは何かの原因でこれらの機器に電流が漏れた場合に、それを大地に逃がして人間が感電するのを防ぐためです。

　なお、電子回路での接地は本当に大地につなぐというより、電位の基準はここであるということを示す意味で使われます。実際に電池で動作させる回路では大地の電位は関係ありません。機器の金属ケースなど比較的大きな導体部分をアース（グランド）とみなし、そこを電位の基準点とします。

　図９－２（ａ）は図９－１を回路図で示したものです。ＩＧＦＥＴを表す記号については後述します。抵抗器はギザギザで示します。電源は電池を書くのやめ、○で示す端子の電位で示しています。この電位の基準はすべてグランドです。ゲートにはグランドに対してＶ_ｇになるような電源をつなぎ、ソースはグランド電位につなぎます。ドレインには負荷抵抗をつなぎ、その先をグランドに対してＶ_ｄという電源につなぎます。ドレイン電圧Ｖ_ｄｓの端子はここに電源をつなぐという意味ではなく、この端子とグランドの間の電圧を計るとＶ_ｄｓです、という意味です。図９－２（ａ）は図８－１をそのまま記号で置き換えたものですが、普通の回路図では図９－２（ｂ）のような書き方がされます。左側から入力信号が入り、右側に出力信号が出て行くという配置になっています。

　ＩＧＦＥＴを表す記号は国際規格であるＩＥＣで定められており、日本工業規格（ＪＩＳ）(3)はこれに準拠することを推奨しています。これによるとＩＧＦＥＴの記号は図９－３に示すようなものです。ソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）の間にソースと結合した矢印があります。この矢印の向きによってｐチャンネルとｎチャンネルを区別することができます。この矢印の付いた線はバックゲート電極（Ｂ）を示すと思われ、構造的にはソースと結合していませんが、通常はソースと接続して使われます。

　またこの記号はディプレッション型とエンハンスメント型の区別もできるようになっています。ゲート電極（Ｇ）に平行して描かれた直線はチャンネルを表しており、１本のものと３つに分かれているものとがあります。１本のものはディプレッション型を表し、３本のものはエンハンスメント型を表しています。ディプレッション型はゲート電圧が０でもチャンネルが形成されている一方、エンハンスメント型ではゲート電圧が０のとき、チャンネルが形成されていないことを表していますが、少々細かすぎるような気がします。

　推奨された記号は個々の部品の特性を表示するにはよいのですが、回路図中に多数書き込むには少し煩雑なように思われます。実際に多くの回路図では図９－２のような簡略化した記号が用いられており、誤解がなければこれで十分なように思います。

(1)米国特許3056888号

(2)米国特許3102230号

(3)JIS C 0617