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平成３０年 国家試験

2

解答 ２

トランスデューサ Transducer （変換器）（センサ sensor）
生体などから、温度、圧力、電磁気、超音波などを検出し、別の情報（抵抗や電圧、電流など）に変換する素子。

3456

光センサ
CdＳ素子
光センサ。光伝導セル。

磁気センサ
ホール効果

フォトダイオード

電流を流した物体に電流と直行する磁場をかけると、電流と磁場に直行する方向に別の電場が発生する。

フォトトランジスタ

ホール素子

硫化カドミウム CdＳ を使った抵抗で、光が当たると、抵抗値が小さくなる。
車のヘッドライトの点灯確認装置などに利用。

光が半導体のPN接合部に当たると電子が接合部を通りやすくなる性質を利用した光センサ。
CdSより小型で、光に対する反応が速い。

7

この現象を半導体の中で行うと、半導体に加わった磁力を測定するセンサを作ることができる。
磁場計測用のトランスデューサ。

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ＳＱＵＩＤ （SQUID磁束計） 超伝導量子干渉素子
super-conducting quantum interference device

SQUID 脳磁図計

高感度に脳磁図を測定できる装置。 北大病院にある。
超伝導状態（電気抵抗がゼロ）では、超伝導リングに外部から磁界Ｂを加えると、超伝導リングの中に磁界Ｂを通過させないように、これを打ち消す超伝導電流（遮蔽電流）Is が流れる。しかし超伝導リングは電気抵抗がゼロであるから電圧は発生しない（左図）。
ところが、超伝導リングに一部細い部分（ジョゼフソン結合）を作ると、そこにわずかな遮蔽電流 Is が流れただけで超伝導状態が崩れ、常伝導となり、細い部分に電圧が発生する。これを利用して、わずかな磁場の変化を電圧として取り出すことが可能となる。
普通の超伝導リング
グ

細い部分を１つ持つ超伝導リング 細い部分を２つ持つ超伝導リン

910

圧力センサ
ピエゾ素子

歪みゲージ （ストレインゲージ）

ピエゾ効果（ 圧電効果 ｐｉｅｚｏ-electric effect )

電圧をかけることにより、ある方向に伸びる材料。
逆に圧力をかけて変形させると電圧が生じる。
シリコンゴム、セラミックスが使われる。
血圧センサ、微小駆動装置(インクジェットプリンタなど)、電子ライターの点火などに利用される。
抵抗線ストレインゲージ
シリコンゴム管に電解液を封入したチューブ。
引っ張ると電気抵抗が大きくなる。
呼吸センサなどに利用。

SQUID 脳磁図計用ヘリウム

1112超音波センサ

超音波装置に利用

人の耳が検知できる音は１秒間に２０回（２０ヘルツ）から２万回（２万ヘルツ）位の振動音で、それ以上に高い（速い）振動は超音波といわれ、聞こえない。

シンチレータ scintillator

放射能測定器電子などの荷電粒子が、蛍光物質中を通過するときに発光する現象をシンチレーションという。
その蛍光物質を、シンチレータという。
ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）などが頻用される。

超音波を発生させる振動体には圧電セラミックを使用する。
圧電セラミックとは、チタン酸バリウム等を高温度で焼き固めた多結晶体のセラミックで、以下の圧電特性を持つ。
圧電セラミックに電圧をかけると，厚くなったり、薄くなったりして振動し、超音波を発生する。

ガンマ線などの放射線がシンチレータに入ると、荷電粒子が発生し発光する。その発光量を測定して放射能を定量する。
ラジオイムノアッセイ（ＲＩＡ）などに使用する。
ウェル型（井戸型） NaI シンチレータ

逆に、超音波を受けて振動すると電圧を発生する。

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血液ガス分析に用いる電極センサ

イオンセンサ動脈血のｐＨ、Ｏ２濃度（ＰａＯ２）などを測定する。

ISFET Ion Sensitive Field Effect Transistor(イオン感応性 電界効果トランジスタ)

pHとは水溶液中の水素イオン（H＋）濃度を表わす単位であり、pH＝－log 10（水素イオン濃度）と定義 。

ガラス電極

ｐH測定

水溶液のpHに比例した起電力を発生するガラス電極と、電位測定のための基準電位を与える比較電極を一対にして試料水に浸したとき、両電極（Ag-AgCl電極）間に発生するpHに対応する起電力を出力するpH電極と、目盛り付けするための機能を有しているpH指示変換器とを組み合わせて測定する方法。
Po2電極 クラーク電極

Po2 測定ISFETのゲート上の イオン感応膜 に溶液が接すると､溶液中のイオン活量に応じて電圧が発生する。
イオン感応膜にSiO2 -Si3N4 を使用すると水素イオンに感応し、pHセンサになる｡
従来のガラス電極法に比べるとイオン感応膜を変えることでCO2測定なども可能、測定時間が短い、装置の小型化消耗品の減少などの利点がある。

銀Ag-AgCl電極と白金Pt電極間に電圧をかけて、溶液中の酸素による還元電流を測定。
（ポーラログラフ法）

1516２００８年 国家試験

解答 ４

焦電効果 = ピエゾ効果
セラミック等に圧力を加えると電圧が発生する。
光導電効果
光によって電圧が生じる。フォトトランジスタ等。
17化学センサ

181920

トランジスタ Transistor

電流を増幅する素子

PNP形トランジスタ P形の間にN形半導体をはさんだもの。
NPN形トランジスタ N形の間にP形半導体をはさんだもの。
間にはさまれた半導体の厚さは非常に薄い（数μｍ）。
ベース B、エミッタ E、コレクタ C の ３本の端子をもつ。

矢印は電流の向きを示す

2122

トランジスタ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ＝ ｔｒａｎｓｆｅｒ（電気を伝える）＋ ｒｅｓｉｓｔｏｒ（抵抗素子）

ＰＮＰ形トランジスタ （旧式トランジスタに多い形）

1947年に アメリカのベル研究所で、長距離電話を実用化するために、通話信号を増幅する素子をショックレーらが発明。 1956年ノーベル物理学賞。
従来の増幅器であった真空管に比べ、安定化、小型化、低消費電力化を実現した。

Ｂに＋、Ｃにー の電圧をかけるだけでは Ｂに電流は流れない。（空乏層の発生）

さらに Ｅに＋、Ｂに－ の電圧をかけると ＢからＥに電子が流れＥからＢに電流が通る。
同時に、ＥからＣへ、薄いＢ を越えて正孔が流れ（拡散）、ＥからＣへ電流が通る。
エミッタ電流 IE＝ ベース電流 IB＋ コレクタ電流 IC

電流を運ぶ媒体（キャリア）に、電子と正孔の２種類を利用しているので、バイポーラ トランジスタともいう。
（ＦＥＴは電子または正孔の１種類のキャリアを利用）

2324

ＮＰＮ形トランジスタ（現在はＮＰＮ形が多い）

Ｂにー、Ｃに＋ の電圧をかけるだけでは Ｂに電流は流れない。（空乏層の発生）

増幅 amplification

増幅器＝アンプ amplifier

何らかの信号の入力に対して元の信号より大きな出力信号を得ること。

エミッタ電流 IE＝ ベース電流 IB＋ コレクタ電流 IC

心電図や脳波などの微弱な電流を、観察しやすいように大きな電流や電圧の信号に変換する。
入力信号のもつエネルギーそのものを拡大するのではなく、増幅器に外部から供給したエネルギー（電源）を、入力に応じて制御する装置。
増幅器は、水道の蛇口と似たような装置と考えると理解しやすい。
蛇口は、上水道から来る大量の水を、調節して流す水量を増減する。
増幅器は、電源から来る大電流を、入力信号と比例する分量で通過させ、入力信号と同じ波形の電流信号が大きくなって出力される。

2526

ベース電流 IB の微小な変化で、コレクタ電流 Ic を大きく変えられる。

トランジスタの欠点

さらに Ｅにー、Ｂに＋ の電圧をかけると ＢからＥに正孔が流れＢからＥに電流が通る。
同時に、ＥからＣへ、薄いＢ を越えて電子が流れ（拡散）、ＣからＥへ電流が通る。

（電流増幅作用）ベース電流が大きいと、ベース内の正孔がベース半導体の端に寄るので、エミッタからコレクタへの電子の流れが良くなる。
ベース電流の変化量⊿IB に対するコレクタ電流の変化量⊿Icの比率を電流増幅率 β という。β = ⊿ Ic／⊿ IB
エミッタ電流 IE は Ic と IB の和になる。

電流増幅素子なので、入力電極間に電流が流れないと動作しない。
入力に電流が流れる＝入力インピーダンスが低い
ベース、コレクタ、エミッタの各端子の間の抵抗値が小さい。
端子間に電流が常に流れている。
半導体の内部で電子と正孔が常に動いているので発熱しやすい。 高密度な集積回路には向かない。
温度で増幅率が変動する。
この問題を解決するためにＦＥＴが作られた。

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ＦＥＴ

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Field Effect Transistor

1960年に アメリカのベル研究所で、カーンらが発明。
ベル研究所は、真空管と動作が類似したＦＥＴを、先に作ろうとしていた。
トランジスタは、ＦＥＴの開発段階で作られたもの。
トランジスタに比べ、端子間の抵抗値が高く（インピーダンスが高い）、発熱量が低く、より低消費電力化、小型化、高集積化可能。
現在の集積回路にはＦＥＴが多く使われている。

インピーダンス impedance
回路に交流電流を流した際に生じる抵抗(交流抵抗)。
心電図や脳波などの生体信号は、電流や電圧が常に変動しており、交流電流である。
皮膚、筋肉、脂肪などの生体組織には、電気的に抵抗やコンデンサなどと同等の成分が含まれており、生体は、生体信号として発生する交流電流を通すが、その信号に対する抵抗（組織インピーダンス）も持つ。

ＦＥＴは電子または正孔の１種類のキャリアを利用。

2930微弱な生体信号を正確に測定する装置は、生体に付ける入力端子、電極間に電流が流れないほうが良い。
測定装置から電極を介して生体に電流が流れると生体はインピーダンスを持つので電圧が生じ、測定したい心電図や脳波の波形を変形させる。
測定器が、測定したい信号を変化させてはいけない。

FET ( 電界効果 (形) トランジスタ ) 電圧を増幅する素子
Field Effect Transistor
ソース Ｓ、 ゲート Ｇ、 ドレイン Ｄの ３本の端子をもつ。
接合形ＦＥＴ ( Junction-FET J-FET )PチャンネルＦＥＴ P形半導体基板に ２個のＮ形端子。
NチャンネルＦＥＴ N形半導体基板に ２個のＰ形端子。
MOS形FET ( Metal Oxide Semiconductor FET )できるだけ装置の入力電極に電流が流れないように、入力インピーダンスの高い測定器が必要。
（電極間の抵抗が高いと電流が流れにくい。）

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ＮＭＯＳ形ＦＥＴ N形の間にP形半導体
ＰＭＯＳ形ＦＥＴ Ｐ形の間にN形半導体
ＣＭＯＳ形ＦＥＴ ＮＭＯＳとＰＭＯＳの複合体

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接合形FETの動作原理 （Ｎチャンネル Ｊ－ＦＥＴの場合）

ゲート G

水門

（ Pチャンネルの場合は、半導体のP形とN形、電源の向き、ソース S

水源

電子と正孔が入れ替わるだけで、同じ原理。

ドレイン D排水溝 の意味

回路記号の矢印の向きも逆になる。 ）入力がないときにもソースSからドレインDに電子が流れている。
ゲートGとソースSの間に電圧を加えると（Gにー、Sに＋）P形、N形半導体の接合部に空乏層（電子が無い部位）がゲートに加える電圧で出力電流が変化する（電圧増幅作用）発生する。 空乏層は電気的に入力端子には電流がほとんど流れない（高インピーダンス）絶縁体と同じ状態。

3334

空乏層が電界効果でN形半導体の内部に広がるとソースからドレインに流れる電子の通路が狭くなる。

空乏層（ depletion layer ）ゲートGとソースSの間の電圧の絶対値を大きくすると、

depletion 【名】デプリーション

ドレインDからソースSに流れる電流が減少する。

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減少;枯渇,消耗.

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MOS形 FETの動作原理 （ＮチャンネルMOSFETの場合）

NMOS FET（ Pチャンネルの場合は、半導体のP形とN形、電源の向き、ソースSにー、ドレインDに＋電子と正孔が入れ替わるだけで、同じ原理。の電圧を加えても、ゲートG回路記号の矢印の向きも逆になる。 ）に入力電圧がないときにはソースS から ドレインD に電子が流れない（ ID = 0 ）。

金属電極 Metal
酸化膜Oxide
半導体 Semiconductorの、３層構造なのでMOS

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ゲートGに＋の電圧をかけると絶縁体の酸化膜の内部と周囲に静電気が発生する。
ソースとドレインの間のP半導体内部に電子の層が出現する（チャンネル）（channel ： 水路）。
チャンネルを伝ってソースからドレインに電子が流れる。

MOS形FETは、入力信号がないときは出力電流が流れないので、J-FETよりも半導体の発熱が少なく、消費電力も少ないので、集積回路に適する。 酸化膜は薄く、外部からの静電気で破壊されやすい。
半導体素子はすべて熱に弱く、温度でPN接合部の特性が変動するので、発熱が少ない素子ほど動作が安定する。
MOS形FETは、PMOSとNMOSを組み合わせた回路をよく用いるので、これを組み合わせたCMOS
Complementary MOS が使われる。

3940

真空管 (電子管) Vacuum tube

真空管は、大きい、壊れやすい、消費電力が多い欠点を３極真空管は、NチャンネルJ-FETと同じ動作。
電極間が真空なので、入力インピーダンスが極めて高い。 エジソンが発明。

持つが、電極間が真空なので入力インピーダンスは極めてヒータで加熱したカソード電極からプレート電極に電子が飛ぶ。その間の金網状のグリッドに電圧をかけてプレートに飛ぶ電子の量を調節する。

（放送局など）、電子管（ブラウン管など）では、

4142

高く、電圧増幅特性は非常に優秀。
高性能な測定装置やオーディオ装置、大出力の送信機現在でも用いられている。

２００８年 国家試験

解答 ３

真空管 (電子管) Vacuum tube
真空管の電極間は真空 なので、入力インピーダンスは極めて高いが、ヒータで加熱したカソード電極からプレート電極に電子が飛び、その間の金網状のグリッドに電圧をかけてプレートに飛ぶ電子の量を調節するので、真空中を飛ぶ電子の流れが入力端子間に電流を発生する。

入力インピーダンスが高い= 入力端子間に流れる電流が少ない（通る電子が少ない）.

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MOS形 FET
金属電極 Metal、 酸化膜 Oxide、半導体 Semiconductor の、３層構造なのでMOS。
入力電極間は、 酸化膜 で絶縁されている。

MOS FET は、入力端子間 （ゲートＧ、ソースＳ）に電圧を加えても、入力端子間に電流が流れない（電子が流れない）。
入力インピーダンスは無限大。

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ゲートGに＋の電圧をかけると絶縁体の酸化膜の内部と周囲に静電気が発生する。
ソースとドレインの間のP半導体内部に電子の層が出現する（チャンネル）（channel ： 水路）。
チャンネルを伝ってソースからドレインに電子が流れる。

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トランジスタの欠点
電流増幅素子なので、入力電極間に電流が流れないと動作しない。
入力に電流が流れる＝入力インピーダンスが低い
ベース、コレクタ、エミッタの各端子の間の抵抗値が小さい。
端子間に電流が常に流れている。
半導体の内部で電子と正孔が常に動いているので発熱しやすい。 高密度な集積回路には向かない。
温度で増幅率が変動する。
この問題を解決するためにＦＥＴが作られた。

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