【トランジスタとは？】『特徴』や『動作原理』などを分かりやすく説明します！

この記事では、バイポーラトランジスタについて

バイポーラトランジスタの回路記号・特徴・駆動方法・等価回路・構造・動作原理・使い方

などを図を用いて分かりやすく説明します。

バイポーラトランジスタの『回路記号』

バイポーラトランジスタとは、トランジスタの一種であり、N型半導体とP型半導体がサンドイッチの構造をしている素子です。

薄いP型半導体をN型半導体でサンドイッチしたものをNPNトランジスタ、薄いN型半導体をP型半導体でサンドイッチしたものをPNPトランジスタといいます。

バイポーラトランジスタは3端子の素子であり、それぞれベース(B)、コレクタ(C)、エミッタ(E)といいます。

ベース(B)-コレクタ(C)間にPN接合、ベース(B)-エミッタ(E)間にPN接合があるため、バイポーラトランジスタは2つのPN接合を持っています。

バイポーラトランジスタの回路記号にはベース(B)-エミッタ(E)間に矢印が付いています。この矢印の方向はP型→N型の向き(電流が流れる向き)となっています。

補足

バイポーラトランジスタは、バイポーラジャンクショントランジスタ(Bipolar junction transistor:BJT)とも呼ばれています。

バイポーラトランジスタの『特徴』

バイポーラトランジスタのベース(B)に流れる電流をベース電流I_B、コレクタ(C)に流れる電流をコレクタ電流I_Cといいます。

バイポーラトランジスタはベース(B)に小さなベース電流I_Bが流れると、その数十～数百倍のコレクタ電流I_Cが流れる特徴を持っており、この特徴を用いて増幅作用を行います。

なお、ベース電流I_Bとコレクタ電流I_Cの比率のことを直流電流増幅率h_FEで表し、以下の式で表されます。
\begin{eqnarray}
h_{FE}=\frac{I_C}{I_B}
\end{eqnarray}

また、バイポーラトランジスタは他のトランジスタ(MOSFETやIGBT)を比較すると高耐圧でもオン抵抗が低いという特徴があります。

各トランジスタの『種類』と『特徴』については以下の記事にまとめていますので参考にしてください。

バイポーラトランジスタの『駆動方法』

バイポーラトランジスタは電流制御素子となっています。ベース(B)に流れるベース電流I_Bによって、コレクタ(C)に流れるコレクタ電流I_Cを制御します。

NPNトランジスタの場合

ベース(B)-エミッタ(E)間に順バイアスの電圧、ベース(B)-コレクタ(C)間に逆バイアスの電圧を印加します。すなわち、ベース(B)を基準として、エミッタ(E)がマイナス、コレクタ(C)がプラスになるように電圧を印加します。その結果、ベース(B)にベース電流I_Bが流れ、コレクタ(C)に大きなコレクタ電流I_Cが流れるようになります。

PNPトランジスタの場合

ベース(B)-エミッタ(E)間に順バイアスの電圧、ベース(B)-コレクタ(C)間に逆バイアスの電圧を印加します。すなわち、ベース(B)を基準として、エミッタ(E)がプラス、コレクタ(C)がマイナスになるように電圧を印加します。その結果、ベース(B)にベース電流I_Bが流れ、コレクタ(C)に大きなコレクタ電流I_Cが流れるようになります。

補足

順バイアス(順方向バイアス)とは、P型半導体にプラス、N型半導体のマイナスの電圧を印加することを指します。すなわち、電流が流れる方向に電圧を加えることです。
逆バイアス(逆方向バイアス)とは、P型半導体にマイナス、N型半導体のプラスの電圧を印加することを指します。すなわち、電流が流れない方向に電圧を加えることです。

バイポーラトランジスタの『等価回路』

バイポーラトランジスタは2つのPN接合を持っているため、等価回路は2つのダイオードを組み合わせたものとなっています。

なお、ベース電流I_Bのh_FE倍の電流がコレクタI_Cとなるため、ベース(B)-コレクタ(C)間に電流源h_FEI_Bを追加している等価回路もあります。

バイポーラトランジスタの『構造』

バイポーラトランジスタは上図のような構造をしています。

エミッタ(E)とコレクタ(C)は同じN型半導体ですが、不純物濃度が異なり、エミッタ(E)はコレクタ(C)よりも不純物濃度が高くなっています。

そのため、エミッタ(E)とコレクタ(C)は同じN型半導体なので、ひっくり返して接続しても大丈夫のように感じますが、不純物濃度の違いにより、ひっくり返して接続した場合は、正常に動作しなくなります。

また、よく見かける構造は上図の赤の点線方向を横から見た時のモデル図となっています。

なお、以下の記事に『エミッタ(E)とコレクタ(C)をひっくり返して逆接続した場合にどうのようになるのか』について説明していますので参考にしてください。

バイポーラトランジスタの『動作原理』

上図にバイポーラトランジスタの動作原理を示しています。上図はエミッタ接地回路となっていますが、トランジスタの動作原理は他の接地回路(ベース接地回路、コレクタ接地回路)でも同じです。

ベース(B)-エミッタ(E)間に順バイアスの電圧、ベース(B)-コレクタ(C)間に逆バイアスの電圧がかかるように電圧を印加します。

ベースエミッタ間電圧V_BEを印加していない場合

コレクタエミッタ間電圧V_CEを印加しても、ベース(B)-コレクタ(C)間が逆バイアスになっている(P型半導体のベースがマイナス、N型半導体のコレクタがプラス)ため、コレクタ電流I_Cが流れません。

ベースエミッタ間電圧V_BEを印加した場合

ベースエミッタ間電圧V_BE(ベースにプラス、エミッタにマイナス)を印加すると、エミッタ(E)に存在する電子がベースに移動し、一部の電子がベース内の正孔と結合します。これが、ベース電流I_Bとなります。
しかし、ベース(B)のP型半導体の部分は構造的に薄く作られているので、P型半導体のベース(B)に流入してきた電子の多くがコレクタ(C)に抜け出してしまいます。その後、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEによって電子が誘導されてコレクタ方向に移動します。これがコレクタ電流I_Cとなります。
すなわち、小さなベース電流I_Bを流すことによって、大きなコレクタ電流I_Cを制御しています。

補足

バイポーラは英語では「Bipolar」と書きます。「Bi」は「2 つの」を意味する接頭辞、「polar」は「極性の」を意味する単語です。この「極性」は電気ではプラスとマイナスのことを指します。バイポーラトランジスタは動作原理から分かるように、プラスのキャリアである正孔とマイナスのキャリアである電子の両方を使用してます。そのため、バイポーラトランジスタと呼ばれています。一方、MOSFETはどちらか1種類のキャリアのみを用いるため、ユニポーラトランジスタとなります。
エミッタは英語で「Emitter」と書きます。意味は「放出するもの」という意味です。NPNトランジスタにおいて、エミッタ(E)は電子を放出している箇所となっています。
コレクタは英語で「Collector」と書きます。意味は「収集」という意味です。NPNトランジスタにおいて、コレクタ(C)は電子を収集している箇所となっています。