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トランジスタの基礎と動作原理まとめ

ここでは「トランジスタ」の基礎と動作原理を忘備録としてまとめたものです。

 

この記事を読むことで

トランジスタの基礎知識

トランジスタの動作原理

を知ることができます。

 

トランジスタとはなんぞや?!という方は、一読してみてください。

それでは始めていきましょう!

 

そもそもトランジスタって何か?!

工業高校や工学部に入るとどこかで耳にするであろう「トランジスタ」さん。

こいつは一体何者なのでしょうか?

まずはトランジスタの基礎から説明します。

 

トランジスタの基礎知識

トランジスタとは、p型とn型の半導体を

n、p、n(またはp、n、p)の順に3層に接合した構造

となっており

「信号を増幅するため」に3つの端子をもつ素子のことをいいます。

 

三層は上から順に、「コレクタ」「ベース」「エミッタ」と呼ばれます。

英語では

「collector」、「base」、「emitter」

と表し、その頭文字をとって「C」、「B」、「E」として扱います。

 

トランジスタの記号は下図のようになります。

左側が「NPNトランジスタ」、右側が「PNPトランジスタ」となります。

トランジスタを理解する前にp型、n型の半導体とは何かしっかり説明できますか?

少し寄り道になりますが、ダイオードについても触れておきましょう。

 

ダイオードの仕組み

ダイオードは最もシンプルな構造の半導体素子のことです。

 

図のD1やD2の記号が「ダイオード」を表す記号で

左図では電流が流れ、右図では電流が流れません。

diode

またシリコンダイオードの場合、順電圧を加えても0.6Vまではほとんど電流が流れず

0.6~0.7Vを超えると電流が急激に増加する「V-I特性」を持っています。

 

電流の流れる原理としては自由電子の移動が関係しています。

半導体材料で一般的に紹介されるのは「Si(シリコン)」です。

このIV族「Si」に

III族のAl(アルミニウム)を加えた(ドープまたはドーピング)ものを「p型半導体」

V族のP(リン)をドープしたものを「n型半導体」

といいます。

 

p型半導体とn型半導体を接合させることで、n型領域の電子が移動しpn接合することで

電流が流れるようになります。 (簡単に説明)

 

詳しく知りたい方は日本電気技術者協会でも説明されているので、そちらをご覧ください。

公益社団法人 日本電気技術者協会HP

 

トランジスタの特性

トランジスタがp、n型を組合せて作られ、信号を増幅するための素子であることを前述で紹介しました。

ではトランジスタが信号増幅できるのは「なぜ」でしょう。

 

トランジスタの特性について下図を参考にしながら検討していきましょう。

circuit-transistor

*この回路の左側では、ベースとエミッタに電源E-BEが加わっていますね。

E-BEの-BE部分はEの添え字とします。以下省略

 

トランジスタの動作

信号増幅の前にまずはトランジスタの動作原理についてみてみましょう。

下図の回路を見てください。

トランジスタでは

ベース・エミッタ間に電圧が加わると、エミッタの中の電子がベースの方へ移動

していきます。

BEC

 

トランジスタで扱うベースは厚さが非常に薄いため、ベースへ移動した電子はそのままコレクタまで通り抜けます。

 

また、コレクタとエミッタの間には電源E-CEが加わっていますね。

この電源は下から上向きへ電圧がかかっているため、電界も同じ向きに加わります。

電界の向きと電子の進む向きが「同じ向き」にとなっているため、コレクタを通り抜けた電子は正電極の方向へ進んでいきます。

 

高校物理で習ったと思いますが

電流は電子の向きとは逆向きに流れる

ためループBの向きに電流が流れることになります。

元々の電源電圧E-CEによる電流と、ベース・エミッタ間、エミッタ・コレクタ間の電子の動きより発生する電流のがループB全体の電流となります。

 

つまりベース・エミッタ間とエミッタ・コレクタ間の電子の動きにより、電流を増やすことができたというわけです。

 

電子回路では

エミッタに流れる電流を「エミッタ電流」

コレクタに流れる電流を「コレクタ電流」

ベースに流れる電流を「ベース電流」

と呼びます。

 

図からも明らかですが、エミッタ電流I-EはI-BとI-Cの和で表すことが出来ます。

IE = IB + IC

 

すなわち、トランジスタは「ベースに流れる電流で、コレクタ・エミッタ間の電流を制御できる」素子ということです。

これがトランジスタ動作の超基本となるので覚えておきましょう。

 

トランジスタで信号が増幅できる理由

上記ではトランジスタの基本原理を紹介しました。

では、トランジスタで信号が増幅できるのはなぜでしょう。

 

これは一言で説明すると

信号を加えるとその分ベース電流も増加し、ベース電流に比例してコレクタ電流も増加するから

です。

 

トランジスタの動作原理を考えると想像しやすいと思いますが

ひとまず、ベース・エミッタ・コレクタ間の電子の動きにより増加する

といった理解で問題ないと思います。

 

電界効果トランジスタの利用

ここまではトランジスタについてザックリ説明してきましたが、パソコンをはじめ多くの電子機器ではトランジスタよりも

「MOSFET(モスフェット)」と呼ばれる電界効果トランジスタが多く用いられています。

 

MOSFETは

「metal-oxide-semiconductor field-effect transistor」

の略称です。

 

構造としてはp型Si基盤上の2か所にn型領域と、金属電力のソースS(source)とドレインD(drain)を接合し

非常に薄い絶縁層であるSiO2層を介して三つ目の金属電極ゲートG(gate)が接合されています。

 

このMOSFETを使うとトランジスタと比べ入力抵抗を大きくできるだけでなく、

電流でコレクタ・エミッタ間の電流を制御していたトランジスタと違い

「ゲート電圧によって、電流を制御できる」という利点があります。

 

詳しく知りたい方はMOSFET専門の教材を読むのをオススメします。

しっかり説明するととても長くなってしまうので(-ω-)/

 

以上「トランジスタの基礎と動作原理まとめ」でした。

トランジスタは電気学科において理解必須の内容になるので

しっかりと復習をしておきましょう。

 

お疲れ様でした。

circuit-transistor
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