JFETアクティブモード動作の理解：SPICEシミュレーションからトランスコンダクタンスまで

ジャンクション電界効果トランジスタ（JFET）は、カットオフと飽和の間のアクティブ領域で動作し電流を制御する点で、バイポーラ接合トランジスタ（BJT）とよく似ています。この挙動を説明するため、基本的なBJT動作の研究で使用したものと類似のSPICEシミュレーションを実行します。

JFETのSPICEシミュレーション

jfet simulation vin 0 1 dc 1 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 2 0.05 .plot dc i(vammeter) .end

回路図では「Q1」とラベル付けされたトランジスタが、SPICEネットリストではj1と記述されます。回路図ではあらゆるトランジスタを「Q」で表すのが慣例ですが、SPICEではデバイスタイプを識別するため特定のプレフィックスが必要です：BJTはq、JFETはj。

制御信号は、負端子をゲート、正端子をソースに接続した定常1 V電源で、これによりゲート-ソースPN接合が逆バイアスされます。BJTが電流制御であるのに対し、JFETは電圧制御なので、1 Vのゲート-ソース電圧がドレイン電流を設定します。

BJTと同様、JFETは供給電圧が増加してもドレイン電流を一定値近くに保ちます—ブレークダウン点まで。これを確認するため、ゲート電圧を一定に保ちながら供給電圧を0から50 Vまでスイープします。

jfet simulation vin 0 1 dc 1 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

ドレイン電流は供給電圧に関わらず100 µAで一定に保たれ、JFETが広い電圧範囲で電流を調整する能力を示しています。

ゲート電圧がチャネル絞りを制御するため、それを調整するのが規制電流レベルをシフトさせる唯一の方法です—ベース電流の変化がコレクタ電流をシフトさせるBJTと同様です。ゲート電圧を0.5 Vに下げるとドレイン電流が225 µAに増加します。

jfet simulation vin 0 1 dc 0.5 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

ゲート電圧をさらに0.25 Vに下げるとドレイン電流は306.3 µAに上昇しますが、関係は明らかに非線形です：ゲート電圧を半分にしてもドレイン電流は半分になりません。

jfet simulation vin 0 1 dc 0.25 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

非線形性をより明確に視覚化するため、供給電圧を固定しゲート電圧を0から2 Vまで変化させます。

jfet simulation vin 0 1 dc j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc 25 .model mod1 njf .dc vin 0 2 0.1 .plot dc i(vammeter) .end

グラフは、ドレイン電流減少の大部分（≈75%）が最初の1 Vゲート電圧で発生し、残りの25%にさらに1 V必要であることを示しています。カットオフは2 Vで発生します。

JFET特性曲線

特性曲線はBJTで見られるのと同じ電流調整挙動を示しますが、曲線間の間隔がJFETの非線形性を明らかにします。

有用なメンタルモデルでは、JFETを逆バイアスゲート-ソース電圧でリファレンス電流が設定された一対の定電流ダイオードで置き換えます。チャネルが単極性であるため、デバイスは双方向性—ソースとドレイン間でどちらの方向にも電流が流れ得ます。

JFETの曲線をBJTのものと比較すると、JFET曲線の線形（非水平）部分が明らかに長いことがわかります。

トライオード領域では、JFETは単なる抵抗のように振る舞います；ドレイン-ソース電流はドレイン-ソース電圧に直接比例します。このオーム的挙動は、電圧制御抵抗を必要とする回路で活用できます。

ここではリウモデルがデバイスが深く飽和した狭い電圧範囲でのみ適用されます。抵抗はゲート-ソース電圧で設定され：より小さな逆バイアスでより低い抵抗（より急な傾き）になります。

JFETはアクティブ領域で電圧制御電流レギュレータとして振る舞うため、BJTのような単一の電流利得係数を持ちません。代わりに、その性能はトランスコンダクタンス（g_m）で定量化され、ジーメンス単位で測定され、ドレイン電流変化とゲート-ソース電圧変化の比を表します。

トランスコンダクタンスは一定ではなく、ゲート電圧に応じて変化します。これは二次方程式で示されます：

結果として、ドレイン電流対ゲート電圧の関係は本質的に非線形であり、SPICEシミュレーションで示されています。

復習

• アクティブモードでは、JFETは逆バイアスゲート-ソース電圧でドレイン電流を制御し、BJTのベース電流制御と類似。
• ドレイン電流対ゲート電圧の関係は非線形；トランスコンダクタンスは動作範囲で変化。
• トライオード領域では、JFETは電圧制御抵抗として機能し、抵抗はゲート-ソースバイアスで設定される。

関連ワークシート

• ジャンクション電界効果トランジスタ（JFET）ワークシート