トランジスタ

トランジスタの『種類』と『特徴』について!

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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』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)NPN型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)金属酸化膜半導体FET(MOSFET)に分類されます。

接合型FET(JFET)Nチャネル型Pチャネル型に分類されます。

金属酸化膜半導体FET(MOSFET)エンハンス形(エンハンスメント形)デプレッション形があり、それぞれ、Nチャネル型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)Nチャネル型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臓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)、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)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)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)NPN型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IB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IC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
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IB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IC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

NPNトランジスタの動作原理

  1. 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IBが流れます。
  2. 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。
  3. 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VCEによって電子が誘導されてコレクタ方向に移動します
  4. 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IC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
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IB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IC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

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臓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)】バイポーラトランジスタとの違い(アイキャッチ)
【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

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電界効果トランジスタ(FET)

電界効果トランジスタ(FET)接合型FET(JFET)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ID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)Nチャネル型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
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IDが流れなくなります。

Nチャネル型JFETの動作原理

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VDSを印加すると、N型半導体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ID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型半導体正孔がゲート側に引き寄せられ、P型半導体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型半導体電子がドレイン側に移動できなくなり、ドレイン電流IDが流れなくなります。

Pチャネル型JFET

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ID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)Nチャネル型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)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VCE(sat)となります。コレクタ飽和電圧VCE(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ICが流れた時の電圧降下であり、コレクタ電流IC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)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ID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ID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(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ID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

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VDS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ID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ID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ID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)Nチャネル型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)金属酸化膜半導体FET(MOSFET)と同じ、コレクタ(C)エミッタ(E)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IC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。

Nチャネル型IGBT

Nチャネル型IGBT
Nチャネル型IGBTはエミッタ(E)がN型半導体、コレクタ(C)がP型半導体の絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)です。

エミッタ(E)に対して正の電圧をゲート(G)に印加すると、コレクタ(C)からエミッタ(E)にコレクタ電流ICが流れるようになります。

Nチャネル型IGBTの動作原理

Nチャネル型IGBTの動作原理

  • ゲートエミッタ間に電圧が印加されていない状態
  • コレクタエミッタ間電圧VCEを印加しても、NPN構造があるため、コレクタ(D)からエミッタ(E)にコレクタ電流ICが流れません。

  • エミッタ(E)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、コレクタ-エミッタ間はPN接続となるため、コレクタ(C)からエミッタ(E)にコレクタ電流ICが流れるようになります。

    NチャネルMOSFET(エンハンス形)ではN型半導体のソース(S)N型半導体のドレイン(D)の間で電流が流れるのに対して、Nチャネル型IGBTではP形半導体のコレクタ(C)からN形半導体のエミッタ(E)に電流が流れる構造となっています。

Pチャネル型IGBT

Pチャネル型IGBT
Pチャネル型IGBTはエミッタ(E)がP型半導体、コレクタ(C)がN型半導体の絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)です。

エミッタ(E)に対して負の電圧をゲート(G)に印加すると、エミッタ(E)からコレクタ(C)にコレクタ電流ICが流れるようになります。

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

まとめ

この記事ではトランジスタの『種類』と『特徴』について、以下の内容を説明しました。

当記事のまとめ

  • トランジスタの『種類』について
  • バイポーラトランジスタ、MOSFET、IGBTの『特徴』
  • バイポーラトランジスタ(BJT)の『種類』と『動作原理』
  • 電界効果トランジスタ(FET)の『種類』と『動作原理』
  • 絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)の『種類』と『動作原理』

お読み頂きありがとうございました。

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