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ブログ · 半導体からトランジスタまで

半導体からトランジスタまで #06 — 電界効果トランジスタ：触れずに開ける扉

2026年9月16日·閲覧 1·コメント 0

シリーズ半導体からトランジスタまで·6 / 9話

前編で、端子が三つの素子に初めて出会いました。接合型トランジスタ（BJT）です。ベースに小さな電流を流すと、コレクタへ大きな電流が流れるという構造でした。小さなもので大きなものを動かす、最初の方法でした。

ところがその方法には代償が一つ付いています。制御するには電流を使わねばならないということです。ベースへ流し込んだ電流は信号ではなく、素子を開けるために使われて消えていきます。素子が一つではなく数億個を一つのチップに載せるとなれば、この代償はそのまま熱になり電力になります。

この編が答える問いはこれです。電流を使わずに素子を開けられるか。答えは「開けられる」で、その方法を用いる素子を電界効果トランジスタ（FET、Field-Effect Transistor）と呼びます。

本文の条件値は計算の道筋を示すための例であり、特定の企業の仕様ではありません。引用した数値はいずれも公開文献で確認した値であり、出典は記事の末尾に記します。

端子の名前から付け直す

英語版ウィキペディアの「Field-effect transistor」の項目は、FET を電界を用いて半導体の中の電流を制御するトランジスタと定義しています。そして三つの端子にこう名前を付けます。

  • ソース（Source）——キャリアが通り道へ入ってくるところです。
  • ドレイン（Drain）——キャリアが通り道から抜けていくところです。
  • ゲート（Gate）——通り道の導電率を調節する端子です。ここに電圧を加えてドレイン電流を制御します。

「Field-effect transistor」の項目は、この三つが BJT のエミッタ・コレクタ・ベースにおおむね対応すると記しています。そしてほとんどの FET にはさらに四番目の端子があります。ボディ（Body）です。ソース・ゲート・ドレインが置かれている半導体の塊そのものを指し、素子を動作点に座らせるために使われます。

ソースとドレインのあいだをキャリアが通っていく道がチャネル（Channel）です。

「Field-effect transistor」の項目は、ゲートを実際の扉を開け閉めするように考えてよいと説明しています。ゲートはチャネルを作ったり消したりして電子を通したり遮ったりします。BJT のベースが流れに割り込む端子だったとすれば、FET のゲートは道そのものを敷いたり消したりする端子です。

ここで BJT と分かれる性質がもう一つ出てきます。「Field-effect transistor」の項目は、BJT と違ってFET の大半は電気的に対称であり、ソースとドレインを入れ替えて接続しても動作は変わらないと記しています。エミッタとコレクタはドーピング濃度が違うため入れ替えられませんでした。FET ではその区別が、回路がどちら側により高い電圧を加えたかで決まるだけです。

触れていない——「電界効果」という名の意味

FET の核心は構造の一か所にあります。ゲートはチャネルに触れていません。あいだに薄い絶縁膜が挟まっています。

ウィキペディアの「MOSFET」の項目は、ゲートが薄い絶縁層によってチャネルから隔てられており、伝統的には二酸化ケイ素が用いられると記述しています。そして FET の項目は、FET を分ける基準の一つがチャネルとゲートを何で絶縁するかだと記しています。絶縁は枝葉ではなく、分類の軸なのです。

触れていないのにどうやって制御できるのでしょうか。MOSFET の項目が答えます。ゲートとソースのあいだに電圧を加えると、そこで生じた電界が酸化膜を貫いて入り込み、半導体と絶縁膜が接する面にチャネルを作るというのです。

渡ったのは電界であって電荷ではありません。磁石を紙の上に置くと、紙の下の砂鉄が動きます。磁石は砂鉄に触れていません。ゲートがチャネルにすることがそれと同じなので、名前が電界効果（Field Effect）なのです。

ゲートには電流が流れない

絶縁膜があるのですから、当然の結果がついてきます。MOSFET の項目は、デジタルスイッチングにおける MOSFET の大きな利点をこう記しています——ゲートとチャネルのあいだの酸化膜がゲートへ直流が流れるのを防ぎ、消費電力をさらに下げ、きわめて大きな入力インピーダンスを与える、というものです。FET の項目も、FET が低い周波数できわめて高い入力インピーダンスを示すと記述しています。

BJT と正面から対比されます。BJT はオンにしているあいだ、ベース電流を流し続けなければなりません。FET は一度電圧を加えておけばそのまま開いています。開けておくのに要る定常電流がないのです。

FET の項目は、FET がユニポーラ（unipolar）トランジスタとも呼ばれると記しています。電子（n チャネル）と正孔（p チャネル）のうち一種類だけを使うからです。BJT は両方を動員したので「バイポーラ」でした。

この着想は BJT よりも古いものです。Google Patents に公開されている US 1,745,175（ユリウス・エドガー・リリエンフェルト、1926 年出願・1930 年登録）には、膜の厚さがきわめて小さいため、そこに静電気力を加えるとその膜の電気伝導度が影響を受けるという記述が含まれています。着想は 1947 年の点接触トランジスタより 20 年以上も先を行っていました。

電界効果トランジスタの断面構造——ゲート金属とチャネルのあいだに絶縁膜があるためゲート電流は 0 で、電界だけが絶縁膜を越えてチャネルに及ぶ

MOS——前編のコンデンサがここにある

ゲート・絶縁膜・半導体。この三つの層には決まった名前があります。金属（Metal）・酸化膜（Oxide）・半導体（Semiconductor）の頭文字を取って MOS 構造と呼びます。この構造で作った電界効果トランジスタが MOSFET です。

MOSFET の項目は、MOS 構造をシリコン基板の上に二酸化ケイ素の層を育て、その上に金属または多結晶シリコンを載せて得ると記述しています。そして次の一文がこの編の核心です。

二酸化ケイ素は誘電体なので、この構造は電極の一方が半導体に置き換わった平面コンデンサと等価である、というものです。

前編で見た式をそのまま持ってくることができます。

C = ε A / d

対応はこう付きます。

  • ε——ゲート絶縁膜の誘電率です。挟み込んだ誘電体が酸化膜に変わっただけです。
  • A——ゲートがチャネルと向かい合う面積です。
  • d——絶縁膜の厚さです。空乏層が担っていた役割を、いまは酸化膜が担います。

前編の接合容量は望まなくても付いてくる容量でした。MOS の容量はわざと作っておいて、それで素子を動作させます。同じ式が、一方では邪魔もので、他方では部品なのです。

一度だけ数字を入れてみる

単位面積あたりの容量には別に酸化膜容量という名前が付いており、小文字で書きます。Engineering LibreTexts の「Basic MOS Structure」は、ゲートと基板が酸化膜を絶縁層として挟んだ一種の平行平板コンデンサをなすと記し、単位面積あたりの容量を次のように定義しています。

cox = εox / xox

「Basic MOS Structure」が挙げた例示値をそのまま移して計算してみます。この記事は以下の二つの値を「Basic MOS Structure」の例として仮定して計算します。

  • 二酸化ケイ素の誘電率 εox ≈ 3.3 × 10−13 F/cm
  • 酸化膜厚 xox = 250 Å = 2.5 × 10−6 cm

割ると cox ≈ 1.30 × 10−7 F/cm2 が出ます。文献が記した値と同じです。

ここで分母が厚さであるという点が、素子の歴史をまるごと説明します。MOSFET の項目は、素子をごく小さく縮めるとゲート誘電体層を非常に薄く、最新の技術では 1 nm 前後に作らねばならないと記述しています。同じ誘電率のまま厚さだけを 1 nm（= 1 × 10−7 cm）に変えて割り直すと cox ≈ 3.3 × 10−6 F/cm2 です。250 Å は 25 nm なので厚さは 1/25 になり、単位面積あたりの容量は 25 倍になります。

容量が大きいということは、同じゲート電圧でチャネルにより多くの電荷を呼び集めるという意味です。絶縁膜を薄く作る仕事が、そのまま素子を強く作る仕事である理由です。材料でも同じことを狙えます。ウィキペディアの「Relative permittivity」の項目の表は、二酸化ケイ素の比誘電率を 3.9、シリコンを 11.68 と記しています。分子である ε を大きくする道もある、という意味です。

MOS 構造と平行平板コンデンサの対応——ゲート金属が一方の電極、酸化膜が誘電体、半導体が残りの電極となり、単位面積あたりの容量は誘電率を厚さで割った値である

ゲート電圧がチャネルにすること——三つの状態

ではこのコンデンサに電圧を加えてみます。ボディは p 型、多数キャリアは正孔としておきます。加えた電圧によって界面付近が三つの状態に分かれます。Engineering LibreTexts の「MOS Fundamentals」は、この三つを蓄積・空乏・反転に分けています。

蓄積（accumulation）——多数キャリアを界面のほうへ引き寄せる向きに電圧を加えます。「MOS Fundamentals」は、この状態では多数キャリア濃度がバルク内部より酸化膜–半導体界面の近くで高いと記述しています。p 型なら正孔が界面に厚く敷き詰められます。

空乏（depletion）——反対向きに少しだけ加えます。MOSFET の項目は、p 型ボディにゲートから正の電圧を加えると正電荷を帯びた正孔を界面から押しのけ、動けない負のアクセプタイオンだけが残ったキャリアのない領域ができると記しています。#03 で見た空乏層と同じ種類の層が、ここでもできるわけです。

反転（inversion）——正の電圧をさらに大きくします。MOSFET の項目は、ゲート電圧が十分に高くなると絶縁膜と半導体が接する面のすぐ脇の薄い層に負のキャリアが高い濃度で集まり、反転層をなすと記述しています。p 型ボディの表面が電子が多数の層にひっくり返ったわけです。だから「反転」なのです。

この反転層こそがチャネルです。MOSFET の項目は、反転層がソースとドレインのあいだを電流が通る通り道を与えると記しています。ソースとドレインは n 型で、そのあいだのボディは p 型でしたから、反転が起こるまで二つのあいだに道はありませんでした。ゲート電圧がなかった道を敷くのです。

しきい値電圧——ここでは名前まで

その道ができ始める電圧に名前が付いています。ウィキペディアの「Threshold voltage」の項目は、しきい値電圧（Vth）をソースとドレインのあいだに導電経路を作るのに必要な最小のゲート–ソース電圧と定義しています。MOSFET の項目は同じ値を反転層の電子密度がボディの正孔密度と等しくなるゲート電圧と記しています。表現が違うだけで、指している地点は同じです。

素子一つの性格がこの数字にほとんど収まっているため、この値を測り抽出することだけを別に扱う話があります。このシリーズでは名前と意味までを置いて先へ進みます。

エンハンスメント型とデプレッション型

チャネルがいつからあるかによって、素子は二つに分かれます。FET の項目と Threshold voltage の項目が同じ内容を記しています。

エンハンスメント型（enhancement-mode）は素子の中に導電チャネルがもともと存在しません。n チャネルなら、正のゲート–ソース電圧を加えて初めてチャネルができます。電圧を加えなければオフのままです。MOSFET の項目は、エンハンスメント型ではゲートに加えた電圧が素子の導電率を高めるとまとめています。

デプレッション型（depletion-mode）は反対です。Threshold voltage の項目は、n チャネルのデプレッション型素子には導電チャネルがもともと存在すると記し、オフにするには負の電圧が必要だと記述しています。MOSFET の項目も、デプレッション型ではゲートに加えた電圧が導電率を下げると記しています。

スイッチとして使うにはエンハンスメント型のほうが便利です。何も加えていないときにオフである側のほうが安全だからです。

MOSFET と TFT——同じ原理、違う場所

ここまでの話は、半導体がシリコンウェハそのものである場合を前提にしていました。チャネルはそのウェハの表面にできました。ところが画面を作るとなると事情が変わります。ガラス一枚をシリコンウェハに変えるわけにはいきません。

ウィキペディアの「Thin-film transistor」の項目は、薄膜トランジスタ（TFT）を薄膜堆積によって作られる特別な種類の電界効果トランジスタと定義し、ガラスのように支えはするが電気は通さない基板の上に育てると記しています。そしてこれが半導体材料そのものが基板であるバルク MOSFET との違いであると明記しています。

一文に縮めれば、MOSFET は半導体を削って使い、TFT は載せて使います。

載せて使うという点が動作の仕方まで変えます。学術誌 Scientific Reports に掲載された InGaZnO 薄膜トランジスタの研究（DOI 10.1038/srep22567）はこう記述しています——シリコン MOSFET は反転モードで伝導するのに対し、TFT はチャネル材料によらずキャリア蓄積モードで動作する、というものです。Scientific Reports の論文は、蓄積モードの素子では誘起されたキャリアの極性が反転しないと付け加えています。

先に見た三つの状態のうちどれを使うかが違うのです。

  • MOSFET——p 型ボディの上に電子の層を反転で作って使います。チャネルのキャリアは、ボディの立場からすれば少数キャリアです。FET の項目も、反転層が少数キャリアの流れを閉じ込めると記しています。
  • TFT——載せた半導体薄膜に同じ種類のキャリアを蓄積させて使います。極性が反転しないので、キャリアの種類は変わりません。

何を載せるかは開かれています。TFT の項目は、アモルファスシリコンと多結晶シリコンが使われてきたこと、そしてインジウムガリウム亜鉛酸化物（IGZO）のような金属酸化物、有機半導体、カーボンナノチューブも使われることを挙げています。前編で見た画素一つのスイッチが、この素子です。

ゲート電圧に応じた蓄積・空乏・反転の三状態と、反転で開く MOSFET と蓄積で開く TFT の対比

まとめ

  • FET のゲートはチャネルに触れていません。あいだに絶縁膜があり、渡っていくのは電荷ではなく電界です。名前が「電界効果」である理由です。
  • そのためゲートには直流が流れません。入力インピーダンスが非常に大きく、オンにしておくのに要る定常電流がありません。電流で制御していた BJT と分かれる地点です。
  • ゲート・酸化膜・半導体の MOS 構造は電極の一方が半導体に置き換わった平面コンデンサです。C = εA/d がそのまま当てはまり、単位面積あたりの容量は cox = εox/xox です。厚さが分母なので、絶縁膜を薄く作ることがそのまま素子を強く作ることになります。
  • ゲート電圧は界面を蓄積 · 空乏 · 反転の三状態へ追い込みます。チャネルができ始める電圧がしきい値電圧です。
  • MOSFET はウェハを削って反転で、TFT はガラスの上に半導体を載せて蓄積でチャネルを開きます。同じ原理を違う場所で使う二つの素子です。

ここまでで素子を開ける方法を見てきました。次編では開いたあとの話へ移ります——ゲート電圧を少しずつ上げたときにドレイン電流がどんな曲線を描くのか、その曲線のどの区間をスイッチに使い、どの区間を増幅に使うのかを見ていきます。

参考資料

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