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既存 theme のアップデート #34

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Apr 8, 2021
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80 changes: 64 additions & 16 deletions packages/@vivliostyle/theme-academic/example/fet.md
Original file line number Diff line number Diff line change
@@ -1,13 +1,11 @@
---
lang: ja
---

# FET の特性

:::author
<div class="author">

- 2020/08/10
- びぶりお ゆたか
:::

</div>

## 目的
FETの特性を調査するとともに、FETを用いた回路の作製に習熟することを目的とする。
Expand All @@ -22,7 +20,7 @@ FETの特性を調査するとともに、FETを用いた回路の作製に習
### 電界効果トランジスタの動作原理
p 型半導体と n 型半導体を接合することを pn 接合という。pn 接合すると、p 型半導体と n 型半導体の境界部分で電子と正孔が結合し、境界部分の n 側に+、p 側に − の電気を帯びた領域ができる。この2つの領域は**空乏層**と呼ばれ、電流が流れない領域である。しかし、 p 側から n 側に電圧をかけると、空乏層で結合できなかった電子と正孔が接近し、一時的に空乏層が小さくなる。空乏層の厚さが十分に小さくなった時、電子と正孔がそれぞれ空乏層を越えられるようになるため、拡散電流が流れる。この p 側から n 側に電流が流れる方向を順方向という。逆方向に電圧をかけると空乏層は大きくなり、拡散電流は流れない。このように、pn 接合によって整流を行う素子をダイオードと呼ぶ。

FET には3本の端子が出ており、それぞれゲート (G)、ドレイン (D)、ソース (S)と名前がついている。FET は n 型半導体と p 型半導体の組み合わせでできており、チャネルの物質的性質によって n チャネル型 FET と p チャネル型 FET に分類できる。n チャネル型 FET はドレインとソースの電極周辺が n 型半導体で、その間が p 型半導体である。p チャネル型 FET はドレインとソースの電極周辺が p 型半導体で、その間が n 型半導体である。<a href="#n_fet" data-ref="fig"></a> に n チャネル型 FET、<a href="#p_fet" data-ref="fig"></a> に p チャネル型 FET の構造を簡略化して示した。
FET には 3 本の端子が出ており、それぞれゲート (G)、ドレイン (D)、ソース (S) と名前がついている。FET は n 型半導体と p 型半導体の組み合わせでできており、チャネルの物質的性質によって n チャネル型 FET と p チャネル型 FET に分類できる。n チャネル型 FET はドレインとソースの電極周辺が n 型半導体で、その間が p 型半導体である。p チャネル型 FET はドレインとソースの電極周辺が p 型半導体で、その間が n 型半導体である。<a href="#n_fet" data-ref="fig"></a> に n チャネル型 FET、<a href="#p_fet" data-ref="fig"></a> に p チャネル型 FET の構造を簡略化して示した。

<!--
【図表の参照】 https://github.com/vivliostyle/vfm/issues/11
Expand All @@ -31,15 +29,28 @@ FET には3本の端子が出ており、それぞれゲート (G)、ドレイ
- 参照先: <span id="id"></span>
-->

![n チャネル型 FET](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808190103.png) <span id="n_fet"></span>
![p チャネル型 FET](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808190107.png) <span id="p_fet"></span>
<!-- 図 -->
![n チャネル型 FET](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808190103.png)

<span id="n_fet"></span>
<!-- ここまで図 -->

<!-- 図 -->
![p チャネル型 FET](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808190107.png)

<span id="p_fet"></span>
<!-- ここまで図 -->

## 実験方法

### 静特性実験
<a href="#circuit_static" data-ref="fig"></a> に示す回路を作製した。

![静特性実験の回路](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808194807.png) <span id="circuit_static"></span>
<!-- 図 -->
![静特性実験の回路](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808194807.png)

<span id="circuit_static"></span>
<!-- ここまで図 -->

#### $V_{GS} - I_{D}$ 特性
$V_{GS}$ を 0 V から 4.5 V まで変化させたときの $I_{D}$ の値を測定した。 $V_{DS}$ が 3 V、10 V の場合のそれぞれについて行った。
Expand All @@ -50,7 +61,11 @@ $V_{DS}$ を 0 V から 18 V まで変化させたときの $I_{D}$ の値を測
### 動特性実験
<a href="#circuit_dynamic" data-ref="fig"></a> に示す回路を作製した。

![動特性実験の回路](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808205247.png) <span id="circuit_dynamic"></span>
<!-- 図 -->
![動特性実験の回路](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808205247.png)

<span id="circuit_dynamic"></span>
<!-- ここまで図 -->

#### 30 V を印加したときのゲート電圧 $V_{GS}$
回路に入力電圧として 30 V 加えた時のソースに対するゲートの電圧 $V_{GS}$ を調べた。
Expand All @@ -67,6 +82,8 @@ $V_{DS}$ を 0 V から 18 V まで変化させたときの $I_{D}$ の値を測
【表のキャプション】
記法が未実装のため、HTMLで書いている
表の記法は使用できる
表内の別のVFM記法は未対応
https://github.com/vivliostyle/vfm/issues/35
-->

<table>
Expand Down Expand Up @@ -125,14 +142,40 @@ $V_{GS}$ の値は 1.42 V であった。
#### 電圧増幅率 $\mu$ の周波数特性
実験結果を <a href="#f_mu" data-ref="fig"></a> に示す。周波数 $f$ が 10 Hz 以上 50 kHz 以下の時に電圧増幅率 $\mu$ は一定 (17〜18 V)となった。周波数 $f$ が 10 Hz 以下及び 50 kHz 以上の時に電圧増幅率 $\mu$ は低下した。

![$V_{DS}$ を固定した時の $V_{GS}$ に対する $I_{D}$ の変化](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808211415.png) <span id="vgs_id"></span>
![$V_{GS}$ を固定した時の $V_{DS}$ に対する $I_{D}$ の変化](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808211420.png) <span id="vds_id"></span>
![入力信号 $f =$ 1 kHz に対する出力 $v_{D}$ の変化](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808211425.png) <span id="f_vd"></span>
![電圧増幅率 $\mu$ の周波数特性](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808211430.png) <span id="f_mu"></span>
<!-- 図 -->
![$V_{DS}$ を固定した時の $V_{GS}$ に対する $I_{D}$ の変化](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808211415.png)

<span id="vgs_id"></span>
<!-- ここまで図 -->


<!-- 図 -->
![$V_{GS}$ を固定した時の $V_{DS}$ に対する $I_{D}$ の変化](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808211420.png)

<span id="vds_id"></span>
<!-- ここまで図 -->

<!-- 図 -->
![入力信号 $f =$ 1 kHz に対する出力 $v_{D}$ の変化](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808211425.png)

<span id="f_vd"></span>
<!-- ここまで図 -->

<!-- 図 -->
![電圧増幅率 $\mu$ の周波数特性](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808211430.png)

<span id="f_mu"></span>
<!-- ここまで図 -->

## 考察

### 電圧増幅率 $\mu$ の計算
<!--
【ディスプレイ数式モード】
数式の次の行が新しい<p></p>になってしまうので、インライン数式を使っている(本当はすべて1つの<p></p>の中に収まってほしい)
https://github.com/vivliostyle/vfm/issues/37
-->

<a href="#vgs_id" data-ref="fig"></a> の $V_{GS} - I_{D}$ 特性($V_{DS}$ = 3 V)のグラフを 0 V $\leq V_{GS} \leq$ 2.5 V の範囲で抜き出し、二次式
$$
I_{D} = {0.549 (V_{GS} + 0.649)^2 - 3.389 (V_{GS} + 0.381) + 4.297 } \times 10^{-3}
Expand Down Expand Up @@ -177,7 +220,12 @@ $$
$$
となる。

![$V_{GS} - I_{D}$ 特性の近似](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808222501.png) <span id="vgs"></span>

<!-- 図 -->
![$V_{GS} - I_{D}$ 特性の近似](https://cdn-ak.f.st-hatena.com/images/fotolife/y/yamasy1549/20200808/20200808222501.png)

<span id="vgs"></span>
<!-- ここまで図 -->

<!--
【カウンタを使わない】
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