バイポーラトランジスタの『出力特性』と『飽和領域、活性領域、遮断領域』について

この記事ではバイポーラトランジスタの出力特性(I_C-V_CE特性)について詳しく説明します。

バイポーラトランジスタの『出力特性(I_C-V_CE特性)』とは？

出力特性(I_C-V_CE特性)とは、エミッタ接地トランジスタの静特性で、あるベース電流I_Bを流している状態において、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEとコレクタ電流I_Cの関係を表した特性です。

コレクタ-エミッタ間電圧V_CEがある一定値を超えるまでは、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEが増加するとコレクタ電流I_Cが増加しますが、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEがある一定値を超えると、コレクタ電流I_Cはコレクタ-エミッタ間電圧V_CEによらず、ベース電流I_Bに依存する値となります。

バイポーラトランジスタの飽和領域、活性領域、遮断領域について

バイポーラトランジスタの『出力特性(I_C-V_CE特性)』には3つの領域(飽和領域、活性領域、遮断領域)があります。

バイポーラトランジスタをスイッチとして用いるときは、飽和領域(スイッチがオンの状態)と遮断領域(スイッチがオフの状態)を利用し、バイポーラトランジスタをアンプとして用いるときは、活性領域を利用します。

次に3つの領域(飽和領域、活性領域、遮断領域)について順番に説明します。

飽和領域

飽和領域とは、ベース電流I_Bを大きくしてもコレクタ電流I_Cが増加しない領域であり、『出力特性(I_C-V_CE特性)』の青色の箇所となります。『出力特性(I_C-V_CE特性)』の見方によって様々な説明方法があるため、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEが小さくてもコレクタ電流I_Cが流れる領域と説明している参考書もあります。

バイポーラトランジスタをスイッチのオン状態にするためには、ベース電流を沢山流して、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEが最小電圧となる箇所で用います。これは、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEを小さくすることで、オン状態のおける損失(P_LOSS＝V_CE×I_C)が小さくなるからです。

ちなみに、この最小電圧のことをコレクタ飽和電圧V_CE(sat)と呼びます。このコレクタ飽和電圧V_CE(sat)はデータシートに記載してあります。

活性領域

活性領域とは、ベース電流I_Bが一定なら、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEによらずコレクタ電流I_Cが一定となる領域であり、『出力特性(I_C-V_CE特性)』の赤色の箇所となります。

つまり、活性領域では、コレクタ電流I_Cはコレクタ-エミッタ間電圧V_CEではなくベース電流I_Bで決まります。

バイポーラトランジスタをアンプとして用いるときは、この活性領域を利用します。また、活性領域ではコレクタ-エミッタ間電圧V_CEによらずコレクタ電流I_Cが一定となるため、一定の電流を流す電流源としても利用されます。

『出力特性(I_C-V_CE特性)』の傾きがコレクタ抵抗r_Cとなります。コレクタ抵抗は以下の式で表されます。
\begin{eqnarray}
r_C=\frac{{\Delta}V_{CE}}{{\Delta}I_C}
\end{eqnarray}
コレクタ-エミッタ間電圧V_CEを大きくしてもコレクタ電流I_Cは大きく変化しないことから、活性領域ではコレクタ抵抗r_Cは非常に大きな値ということになります。

遮断領域

遮断領域とは、ベース電流I_B=0でもコレクタ電流I_C＝0とならず漏れ電流がわずかに流れる領域であり、『出力特性(I_C-V_CE特性)』の緑色の箇所となります。

この漏れ電流をコレクタ遮断電流I_CEOと言います。漏れ電流なので、小さければ小さいほど特性の良いトランジスタとなります。コレクタ遮断電流I_CEOはコレクターエミッタ間遮断電流とも呼ばれます。なお、コレクタ遮断電流I_CEOはデータシートには最大値のみが記載されています。

補足

遮断領域では、バイポーラトランジスタのスイッチがオフ状態です。
遮断領域はコレクタ遮断領域とも呼ばれています。

【その他】バイポーラトランジスタの『出力アドミタンス』

トランジスタを使用するとき、h定数と呼ばれるものを用いることがあります。

h定数には『出力アドミタンスh_OE』、『電流増幅率h_FE』、『入力インピーダンスh_IE』、『電圧帰還率_hRE』があります。

『出力特性(I_C-V_CE特性)』に関係あるのは『出力アドミタンスh_OE』です。

『出力アドミタンスh_OE』とは、『出力特性(I_C-V_CE特性)』の曲線の傾きのことであり、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEの変化に対するコレクタ電流I_C変化の逆数で
\begin{eqnarray}
H_{OE}＝\frac{{\Delta}I_C}{{\Delta}V_{CE}}
\end{eqnarray}
となります。なお、単位は[S(ジーメンス)]となります。