トランジスタの『種類』と『特徴』について！

トランジスタは大きく分けると、バイポーラトランジスタ(BJT)、電界効果トランジスタ(FET)、絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)の3つの種類があります。

この記事では各トランジスタの特徴について詳しく説明します。

トランジスタの『種類』について

トランジスタの種類を上図に示します。

トランジスタは基本的にバイポーラトランジスタ(BJT)、電界効果トランジスタ(FET)、絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)の3つの種類があります。

バイポーラトランジスタ(BJT)はNPN型とPNP型に分類されます。

電界効果トランジスタ(FET)はまず、接合型FET(JFET)と金属酸化膜半導体FET(MOSFET)に分類されます。

接合型FET(JFET)はNチャネル型とPチャネル型に分類されます。

金属酸化膜半導体FET(MOSFET)はエンハンス形(エンハンスメント形)とデプレッション形があり、それぞれ、Nチャネル型とPチャネル型に分類されます。

絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)はNチャネル型とPチャネル型に分類されます。

補足

バイポーラトランジスタには、派生型として抵抗を内蔵した抵抗内蔵型トランジスタ(デジタルトランジスタ)というものがあります。

バイポーラトランジスタ(BJT)、MOSFET、IGBTの『特徴』について

バイポーラトランジスタ(BJT)、金属酸化膜半導体FET(MOSFET)、絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)の特徴を上図に示します。

バイポーラトランジスタ(BJT)は電流駆動ですが、金属酸化膜半導体FET(MOSFET)、絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)は電圧駆動となってます。

また、スイッチング速度は、バイポーラトランジスタ(BJT)が低速、金属酸化膜半導体FET(MOSFET)は高速となっています。絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)は比較的に高速ですが、MOSFETよりも劣っており、これがIGBTの欠点となっています。

その他の特徴は上図を参照してください。

バイポーラトランジスタ(BJT)

バイポーラトランジスタ(BJT)はNPN型とPNP型の2種類あります。N形半導体と P 形半導体を、NPNの順番に接合したものがNPN型、PNPの順番に接合したものがPNP型となります。

バイポーラトランジスタにはベース(B)、コレクタ(C)、エミッタ(E)の3つの端子があります。

また、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)-エミッタ(E)間に流れるコレクタ電流I_Cを制御します。

次に、NPNトランジスタ(NPN型のこと)について説明します。

補足

電子の移動度は正孔の移動度よりも大きいため、一般的にはPNPトランジスタよりもNPNトランジスタの方が多く使われています。
バイポーラトランジスタ(BJT)は「Bipolar Junction Transistor」の略となっています。

NPNトランジスタ

NPNトランジスタは2つのN型半導体で構成され、P型半導体の薄層によって分離されているバイポーラトランジスタです。

ベース(B)にベース電流I_Bが流れると、コレクタ(C)からエミッタ(E)に大きなコレクタ電流I_Cが流れます。

また、NPNトランジスタの多数キャリアは電子であり、少数キャリアは正孔となります。

NPNトランジスタの動作原理

エミッタ(E)に対してベース(B)に正の電圧を印加すると、ベース(B)とエミッタ(E)のPN接合に順電圧が加わり、ベース(B)からエミッタ(E)に向かってベース電流I_Bが流れます。
ベース(B)に電流が流れるということは、電子がエミッタ(E)からベース(B)に向かって移動することになります。
しかし、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
電子がコレクタ方向に移動するということは、コレクタ(C)からエミッタ(E)に向かってコレクタ電流I_Cが流れるということになります。

これがNPNトランジスタの動作原理となっています。

PNPトランジスタ

PNPトランジスタは2つのP型半導体で構成され、N型半導体の薄層によって分離されているバイポーラトランジスタです。

ベース(B)からベース電流I_Bが流れると、エミッタ(E)からコレクタ(C)に大きなコレクタ電流I_Cが流れます。

また、PNPトランジスタの多数キャリアは正孔であり、少数キャリアは電子となります。

PNPトランジスタの動作原理については、NPNトランジスタの動作原理と同様に考えればよいため省略します。

抵抗内蔵型トランジスタ

バイポーラトランジスタの派生として抵抗を内蔵した抵抗内蔵型トランジスタ(Bias Resistor Built-in Transistor：BRT)があります。

抵抗内蔵型トランジスタは、ベース抵抗R₁とベース-エミッタ間抵抗R₂を内蔵している素子なので、抵抗内蔵型トランジスタを用いることで、部品点数の削減することができます。

この抵抗内蔵型トランジスタはデジタルトランジスタ(デジトラ)と呼ばれることもあります。

抵抗内蔵型トランジスタ(デジタルトランジスタ)については以下の記事で説明しています。参考にしてください。

: 【デジタルトランジスタ(デジトラ)】『回路記号』や『メリット』について
続きを見る

: 【デジタルトランジスタ(デジトラ)】バイポーラトランジスタとの違い
続きを見る

電界効果トランジスタ(FET)

電界効果トランジスタ(FET)は接合型FET(JFET)と金属酸化膜半導体FET(MOSFET)の2種類あります。

電界効果トランジスタ(FET)にはゲート(G)、ドレイン(D)、ソース(S)の3つの端子があります。

また、電界効果トランジスタ(FET)は電圧制御素子となっています。ゲート(G)の印加電圧によって、ドレイン(D)-ソース(S)間に流れるドレイン電流I_Dを制御します。

補足

電界効果トランジスタ(FET)は「Field Effect Transistor」の略となっています。

接合型FET(JFET)

接合型FET(JFET)はNチャネル型とPチャネル型の2種類あります。Nチャネル型はドレイン(D)とソース(S)がN型半導体でゲート(G)がP型半導体、Pチャネル型はドレイン(D)とソース(S)がP型半導体でゲート(G)がN型半導体となっています。

接合型FET(JFET)にはゲート(G)、ドレイン(D)、ソース(S)の3つの端子があります。

次に、Nチャネル型JFETについて説明します。

補足

接合型FET(JFET)は「Junction Field Effect Transistor」の略となっています。

Nチャネル型JFET

Nチャネル型JFETはN型半導体がドレイン(D)とソース(S)につながっており、P型半導体がゲート(G)に接続されている接合型FET(JFET)です。

ゲート(G)に電圧を印加していない状態では、ドレイン(D)からソース(S)に電流が流れますが、ソース(S)に対して負の電圧をゲート(G)に印加すると、ドレイン(D)からソース(S)にドレイン電流I_Dが流れなくなります。

Nチャネル型JFETの動作原理

ゲートソース間に電圧が印加されていない状態

ドレインソース間電圧V_DSを印加すると、N型半導体の電子がドレイン側に移動します。すなわち、ドレイン(D)からソース(S)にドレイン電流I_Dが流れます。

ソース(S)に対して負の電圧をゲート(G)に印加している状態

P型半導体の正孔がゲート側に引き寄せられ、P型半導体とN型半導体の間には空乏層ができます。この空乏層はゲート(G)にかかる電圧によって変化し、空乏層が大きくなると、N型半導体の電子がドレイン側に移動できなくなり、ドレイン電流I_Dが流れなくなります。

Pチャネル型JFET

Pチャネル型JFETはP型半導体がドレイン(D)とソース(S)につながっており、N型半導体がゲート(G)に接続されている接合型FET(JFET)です。

ゲート(G)に電圧を印加していない状態では、ソース(S)からドレイン(D)に電流が流れますが、ソース(S)に対して正の電圧をゲート(G)に印加すると、ソース(S)からドレイン(D)にドレイン電流I_Dが流れなくなります。

Pチャネル型JFETの動作原理については、Nチャネル型JFETの動作原理と同様に考えればよいため省略します。

金属酸化膜半導体FET(MOSFET)

金属酸化膜半導体FET(MOSFET)はNチャネル型とPチャネル型の2種類あります。Nチャネル型はソースとドレインの間にNチャネル領域を有し、Pチャネル型はソースとドレインの間にPチャネル領域を有します。

金属酸化膜半導体FET(MOSFET)にはゲート(G)、ドレイン(D)、ソース(S)の3つの端子があります。

また、金属酸化膜半導体FET(MOSFET)にはエンハンス形(エンハンスメント形)とデプレッション形があります。

補足

金属酸化膜半導体FET(MOSFET)は「Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor」の略となっています。
Nチャネル型の方が性能も良く、回路的にも使いやすいので、市場で使用されるMOSFETの大半がNチャネル型となっています。
MOSFETのデータシートには、オン抵抗というパラメータがあります。このオン抵抗は、特に大電力を扱う場合に重要な特性になりますが、バイポーラトランジスタ(BJT)には、オン抵抗のパラメータはありません。バイポーラトランジスタのオン抵抗にあたるのはコレクタ飽和電圧V_CE(sat)となります。コレクタ飽和電圧V_CE(sat)とは、トランジスタがオンしている時において、既定のコレクタ電流I_Cが流れた時の電圧降下であり、コレクタ電流I_Cと電圧降下からバイポーラトランジスタ(BJT)のオン抵抗を求めることができます。

エンハンス形(エンハンスメント形)とデプレッション形の違い

エンハンス形(エンハンスメント形)

ゲート(G)とソース(S)の電圧が等しい時にドレイン電流I_Dが流れないもの。回路記号は上図の赤丸で示したように少し隙間があります。

デプレッション形

ゲート(G)とソース(S)の電圧が等しい時にドレイン電流I_Dが流れるもの。回路記号はエンハンス形(エンハンスメント形)にあった隙間がありません。

Nチャネル型MOSFET(エンハンス形)

Nチャネル型MOSFETはドレイン(D)とソース(S)の間にNチャネル領域を有している金属酸化膜半導体FET(MOSFET)です。

ソース(S)に対して正の電圧をゲート(G)に印加すると、ドレイン(D)からソース(S)にドレイン電流I_Dが流れるようになります。

Nチャネル型MOSFET(エンハンス形)の動作原理

ゲートソース間に電圧が印加されていない状態

ドレインソース間電圧V_DSを印加しても、ドレイン(D)とソース(S)の間はNPN構造となっているため、ドレイン(D)からソース(S)にドレイン電流I_Dが流れません。

ソース(S)に対して正の電圧をゲート(G)に印加している状態

ゲート(G)の絶縁膜直下にP型半導体内の電子が引き寄せられ、電子よるNチャネル領域が形成されます。その結果、ドレインソース間はN型半導体のみになり、N型半導体内の電子が移動できるようになり、ドレイン(D)からソース(S)にドレイン電流I_Dが流れるようになります。

Pチャネル型MOFFET(エンハンス形)

Pチャネル型MOSFETはドレイン(D)とソース(S)の間にPチャネル領域をを有している金属酸化膜半導体FET(MOSFET)です。

ソース(S)に対して負の電圧をゲート(G)に印加すると、ソース(S)からドレイン(D)にドレイン電流I_Dが流れるようになります。

Pチャネル型MOFFET(エンハンス形)の動作原理については、Nチャネル型MOFFET(エンハンス形)の動作原理と同様に考えればよいため省略します。

絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)

絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)はNチャネル型とPチャネル型の2種類あります。

絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)にはゲート(G)、コレクタ(C)、エミッタ(E)の3つの端子があります。ゲート(G)は金属酸化膜半導体FET(MOSFET)と同じ、コレクタ(C)とエミッタ(E)はバイポーラトランジスタ(BJT)と同じになっています。

また、絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)は電圧制御素子となっています。ゲート(G)の印加電圧によって、コレクタ(E)-エミッタ(E)間に流れるコレクタ電流I_Cを制御します。

次に、Nチャネル型IGBTについて説明します。

補足

絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)は「Insulated Gate Bipolar Transistor」の略となっています。
IGBTは、MOSFETとバイポーラトランジスタを複合化することで、MOSFETとバイポーラトランジスタの良い面を利用するために開発されたトランジスタです。MOSFETと同様にゲートが絶縁されており、また電圧制御形のデバイスとなっています。MOSFETの高速動作が可能という点と、バイポーラデバイスの高耐圧でも低オン抵抗という特徴を持っています。