トランジスタとは

トランジスタ写真

トランジスタとは半導体の性質を利用して増幅作用を行わせるもので「PN接合」が基になっています。トランジスタとはこの「PN接合」を2つ持っている素子です。

実はトランジスタは一種類ではないのです。2SA****、2SB****、2SC***、2SD***とか呼ばれるトランジスタをバイポーラトランジスタと呼びます。一般に言うトランジスタとはこちらを言います。一方、ユニポーラトランジスタと呼ばれる部類に入るのが電界効果トランジスタ(FET)です。FETは Field Effect Transisteor の略語です。

このページではバイポーラトランジスタについて説明します。

トランジスタとはP型半導体、又は、N型半導体をサンドイッチのように挟み込んだものです。P型半導体を2つのN型半導体で挟み込んだものNPNトランジスタといい、 N型半導体をP型半導体で挟み込んだものをPNPトランジスタと呼びます。NPNトランジスタは2SC***、2SD***とか呼ばれるもので、PNPトランジスタは2SA***、2SB***と呼ばれるものです。

挟み込まれた半導体をベースと呼びます。他の2つはそれぞれコレクタ、エミッタと呼びます。トランジスタとはこのベースに流れる電流をコントロール することでコレクタ、エミッタ間を流れる電流をコントロール出来る素子です。ベースに流す電流はわずかでもコレクタ、エミッタ間に流れる電流は大きく変化します。 この変化する割合を電流増幅率と言い、hfe と言う記号で表現されます。

バイポーラトランジスタは正孔と電子の2つのやり取りで動作します。すなわち双極で動作するという意味でバイポーラトランジスタと呼ばれています。

下図はトランジスタの模式図です。

NPNトランジスタ
NPNトランジスタ模式図
PNPトランジスタ
PNPトランジスタ模式図

トランジスタの原理

NPNトランジスタでトランジスタの原理を説明します。

トランジスタの動作原理

NPNトランジスタに外部からエミッタとベースの間に順方向電圧Vbを印加し、コレクタとベースの間には逆方向電圧Vcを印加します。エミッタ、ベース間に 電圧が印加されていない場合は、コレクタ、ベース間は逆電圧ですから電流は流れません。

エミッタとベースの間はダイオードの特性と全く同じです。つまりエミッタ側のN型半導体からベースのP型半導体に向かって電子が流れ込みます。 この電子はエミッタ電流となり、一部はベースの正孔と結びつき消滅した電子はベース電流となります。このときベース層の厚さが数十ミクロン以下であると、流れ込んだ電子のほとんどはベースとコレクタ の接合部に達します。そしてベースとコレクタの電位差によってコレクタ内に拡散しコレクタ電流となります。

ベースに注入された電子のうち、ベース側の正孔と結びついたものはベース電流となるのですが、これはエミッタ電流の5%以内程度でほとんどは コレクタに流れ込みます。ここが原理の大事なところです。ベース電流はエミッタに流れる電流の5%程度なのですから残りの95%はコレクタ電流ということになり、 トランジスタに流れる電流の5%で残りの95%を制御するということになるのです。これがトランジスタの基本的な原理です。

コレクタに流れる電流は Ic=Ie-Ib となりますがコレクタ電流はエミッタ電流の0.95~0.99倍程度すからエミッタから注入された電子はベースを通り抜け コレクタに達することになります。

一方エミッタから注入される電子の数はベースエミッタ間の電圧によって左右されます。すなわちベース電流の増減でエミッタ電流が変化し 結果として、コレクタ電流の変化として現れることになります。


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