バイポーラトランジスタのしくみ

以前の記事でトランジスタとpn接合の話に少し触れましたので、
その続きで何回かに分けてトランジスタについて書いてみたいと思います。

トランジスタの主な種類

まず、トランジスタには大きく分けて以下のような種類があります。

バイポーラトランジスタ、
電界効果トランジスタ、
絶縁ゲートトランジスタ、
の順で発明されました。

今回は一番古いバイポーラトランジスタについて取り上げます。

バイポーラトランジスタとは

それまでの真空管に代わり増幅機能とスイッチング機能をもつものとして登場したのがバイポーラトランジスタです。
BJT（Bipolar Junction transistor）とも呼ばれます。

バイポーラトランジスタは最初に広く使われたトランジスタで、P型半導体とN型半導体をPNPまたはNPNの形に接合した半導体素子です。
後に出てくるトランジスタと異なり電子と正孔の両方がキャリアとなることから、他のトランジスタと区別してバイポーラトランジスタという名前で呼ばれるようになりました。単にトランジスタと呼ばれることもあります。

バイポーラトランジスタは現在では主にアナログ回路で使われています。
デジタル回路は電流や電圧を0か1かの離散的なデジタル信号として扱うものですが、アナログ回路は電流や電圧の連続的な変化をそのまま扱うものです。
そのため、より自然な音を求めるオーディオ機器などにはアナログ回路が使われています。

バイポーラトランジスタの動作原理

バイポーラトランジスタの仕組みについて、NPN型を例に見ていきます。

バイポーラトランジスタは、
コレクタ(C)、ベース(B)、エミッタ(E)
の3つの部分で構成されています。

コレクタとエミッタは同じ型の半導体を使うので（NPN型ならどちらもN型半導体）同じかというと、そうではありません。

N型半導体とP型半導体は真性半導体に構成元素よりも価電子の多い元素、少ない元素をそれぞれドーピングすることによって作られますが、エミッタにドーピングする不純物の濃度はコレクタよりも高くします。

また、ベースはコレクタやエミッタと比べて非常に薄くします（通常1㎛以下）。

バイポーラトランジスタは、エミッタ-ベース間の電流を制御することによって、エミッタ-コレクタ間の電流を制御するという仕組みになっています。
どういうことかを見ていきます。

まず、エミッタ-コレクタ間にのみ電源を接続した場合を考えます。
このときエミッタ側のN型半導体とP型半導体だけであれば、順バイアスと同様に電流が流れるはずですが、コレクタ側にもN型半導体があるため、コレクタ側のN型半導体について見ると逆バイアスになってしまいます。
よってコレクタ側のN型半導体とP型半導体との間には空乏層ができてしまい、エミッタ-コレクタ間には電流が流れません。

次に、ベースとエミッタ間にも電源をつないだ場合を考えます。

エミッタ側のN型半導体にはエミッタ-コレクタ間の電源から供給される電子と、ベース-エミッタ間の電源から供給される電子とが集まるため、もともと濃度の高かったところにさらに電子が供給されるので電子が過剰になります。
すると拡散現象によりエミッタ側のN型半導体からP型半導体へと電子が入りこむ動きが進行します。

ベース部分のP型半導体は非常に薄くしてあると前に書きましたが、ベースが薄くなっていることにより、エミッタ側の電子はP型半導体内の正孔とほとんど再結合することなく、コレクタ側の半導体まで進み、エミッタ-コレクタ間の電流が流れることになります。

NPN型の場合を見てきましたが、PNP型の場合はキャリアが自由電子ではなく正孔になります。
原理としてはNPN型の場合と同様ですが、正孔と電子とでは移動度に差があり、電子の方が移動度が大きいためNPN型のトランジスタの方が高性能でよく使われるようです。

トランジスタの主な役割は次の2つでした。
・電流のON/OFFのスイッチング機能
・入力信号を大きな出力信号に変える増幅機能

上で見てきたように、
ベース電流を流さなければコレクタ－エミッタ間の電流は生じず、
ベース電流を流せばコレクタ-エミッタ間に電流が生じるため、
ベース電流の操作でコレクタ-エミッタ間の電流をON/OFFできる、というのがスイッチング機能にあたります。

また、ベース電流はコレクタ-エミッタ間の電流よりも小さい電流のため、
小さな電流を流すことによってより大きな電流を生じさせることができる、という点が増幅機能にあたります。

ベース電流とコレクタ-エミッタ間の電流の大きさの関係について計算が必要なところなどはまだ理解できていないので今後の課題です。

6/29（土）学習時間：11H
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その他
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