【半導体工学】バイポーラトランジスタとは

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工学

 バイポーラトランジスタ (Bipolar Junction Transistor:BJT)はpn接合を用いたトランジスタです.本記事ではバイポーラトランジスタについて紹介します.

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ドランジスタとは

 トランジスタは図1のように3端子を持つ半導体素子です.入力した信号を増幅して出力する増幅器として利用できます.また,ある電圧を超えて急激に電流が流れる特性を生かして,ある電圧値以上はオン,以下はオフとして扱うことでスイッチとしても利用されます.このスイッチを組み合わせて,福l雑な動作をするデジタル電子回路も作ることができます.

図1 トランジスタとは

 トランジスタが信号を増幅させる原理は,以下でバイポーラトランジスタの動作の説明としてします.

バイポーラトランジスタとは

 バイポーラトランジスタ (Bipolar Junction Transistor:BJT)pn接合を用いたトランジスタです.2種類のキャリア (電子と正孔)が関与するため,バイポーラトランジスタと呼ばれます.バイポーラトランジスタには図2のnpnトランジスタpnpトランジスタがあります.

図2 バイポーラトランジスタ

 npnトランジスタとpnpトランジスタの回路記号は,人や機関によって違い,たくさんあります.図には,2つずつ一般的な記号を示しています.npnトランジスタはn型・p型・n型半導体がサンドイッチした構造をしています.pnpトランジスタも同様にp型・n型・p型半導体の構造をしています.

 バイポーラトランジスタは図のように,E:エミッタB:ベースC:コレクタの3端子があります.ベースを蛇口として開閉 (信号を入力)することで,エミッタ-コレクタ間で水の流れを制御 (電流の流れを制御)するなどと,よく例えられます.

動作原理

 バイポーラトランジスタの動作原理を説明します.バイポーラトランジスタの使用方法は主にエミッタ接地回路コレクタ接地回路ベース接地回路の3つがあります.これらは3つある端子の内,どの端子を接地させているかの違いがあります.それぞれの接地回路では特性が違います.

 今回はエミッタ接地回路で動作原理を説明します.エミッタ接地回路の回路図を図3に示します.

図3 エミッタ接地回路

 各端子で流れる電流を,エミッタに流れる電流:\(I_E\),ベースに流れる電流:\(I_B\),コレクタに流れる電流:\(I_C\)とします.図からわかるように,3つの電流は以下の関係を持ちます.

$$I_E=I_B+I_C$$

 エミッタ接地回路ではベースを入力,コレクタを出力として使います.入力した信号に対して,出力した信号がどれだけ増幅されたかは増幅率といいますが,エミッタ接地の電流増幅率\(\beta\)は以下のようになります (詳しい計算は省いています).

$$\beta=\frac{I_C}{I_B}≒99$$

 上の式からもわかるように,ベースに電流を流すことで,コレクタで増幅された電流が流れます.以上のように,バイポーラトランジスタでは信号を増幅させることができます.

まとめ

  • トランジスタ:スイッチや増幅器として働く,3端子を持つ半導体素子
  • バイポーラトランジスタ (Bipolar Junction Transistor:BJT):pn接合を用いたトランジスタ
  • 各端子で流れる電流の関係:\(I_E=I_B+I_C\)
  • エミッタ接地の電流増幅率:\(\beta=\frac{I_C}{I_B}≒99\)

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