ベースエミッタ間飽和電圧VBE(sat)とは？『VBE(sat)-IC特性』などを解説！

この記事ではベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)やV_BE(sat)-I_C特性について詳しく説明します。

ベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)とは？

バイポーラトランジスタのパラメータの1つにベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)というものがあります。

ベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)とは、バイポーラトランジスタがオンの状態(飽和状態)におけるベースエミッタ間の電圧のことを指します。

もう少し詳しく！

もう少し詳しく説明すると、バイポーラトランジスタが完全にオンの状態の動作条件となるように、ベース電流I_Bとコレクタ電流I_Cを流します。

上図は東芝製バイポーラトランジスタ(2SC1815)の電気的特性です。赤色の箇所がベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)となっています。ベース電流I_B=10mA、コレクタ電流I_C=100mAの時におけるベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)が記載されており、2SC1815は最大1.0Vとなっています。

上記の測定条件は、ベース電流I_B=10mA、コレクタ電流I_C=100mAとなっており、コレクタ電流I_Cの1/10のベース電流I_Bを流しています。このベース電流I_Bの値は半導体メーカによって異なりますが、コレクタ電流I_Cの1/10または1/20を流しているものが多いです。

また、直流電流増幅率h_FEは通常、数十～数百なので、このベース電流I_Bは過剰な電流となります。例えば、直流電流増幅率h_FEが100の場合を考えてみると、ベース電流I_Bが10mAならコレクタ電流I_Cはそのh_FE倍で1000mA流せることになります。逆に、コレクタ電流I_Cを100mA流すのに必要なベース電流I_Bはその1/h_FE倍で1mAということになります。

繰り返しになりますが、ベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)は、バイポーラトランジスタをスイッチとして使用した時において、オンの状態におけるベースエミッタ間電圧V_BEとなります。

そのため、コレクタ電流I_Cを100mA流すためには、ベース電流I_Bはその1/h_FE倍で1mAが必要となりますが、バイポーラトランジスタをしっかりオンするためには、1mAより多くの電流を流す必要があります。このように必要以上にベース電流I_Bを流すことをオーバードライブと言います。

したがって、ベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)の測定においては、必要以上のベース電流I_Bを流しているのです。

補足

V_BE(sat)の『sat』は『saturation』の略です。つまり飽和の意味となります。
ベースエミッタ間飽和電圧は英語では、『Base to Emitter Saturation Voltage』と書きます。
ベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)は小さいほど、電力損失が少なくなります。そのため、ベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)はどちらかといえば小さい方が良いです。
オーバードライブの度合いは、オーバードライブ係数K_OV(K_OV＝I_C/I_B)で定義されます。コレクタ電流I_Cを100mA流すときにベース電流I_Bを10mA流せば、オーバードライブ係数K_OVは10となります。

ベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)は設計上いつ用いるのか？

ベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)はベース電流の設計をする際に必要となります。

例えば、上図の回路において、コレクタ電流I_C=100mAを流す場合を考えてみます。オーバードライブ係数K_OVを10とすると、必要なベース電流I_Bは10mAとなります。

ここで、駆動電源V_BBを5Vとすると、必要なベース抵抗R_Bの値は
\begin{eqnarray}
R_{B}=\frac{V_{BB}-V_{BE(sat)}}{I_B}=\frac{5{\mathrm{[V]}}-1{\mathrm{[V]}}}{10{\mathrm{[mA]}}}=400Ω
\end{eqnarray}
と求めることができます。このベース抵抗R_Bより小さい値にすることで、ベース電流I_Bは10mA以上流れるようになります。

バイポーラトランジスタの『V_BE(sat)-I_C特性』について

上図に東芝製2SC1815の『V_BE(sat)-I_C特性』を示しています。

横軸がコレクタ電流I_C、縦軸がベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)となっています。ベース電流I_Bの条件は青色の箇所であり、

I_C/I_B=10

⇔I_B=I_C/10

となりますので、横軸のコレクタ電流I_Cの10分の1の電流をベースに流すということになります。

また、周囲温度Taのパラメータの条件はオレンジ色の箇所であり、

Ta=25℃

となっています。

『V_BE(sat)-I_C特性』より、コレクタ電流I_Cが大きくなると、ベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)が大きくなることが分かります。

また、上図の東芝製2SC1815の『V_BE(sat)-I_C特性』にはないのですが、例えば、下図のように温度がパラメータとなっている『V_BE(sat)-I_C特性』もあります。温度が上がるほど、『V_BE(sat)-I_C特性』が下にシフトしていることが分かります。すなわち、温度が上がるほど、ベースエミッタ間飽和電圧V_BE(sat)が小さくなります。