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トランジスタの仕組み

ここまで知っていると設計が楽になるかも。
作成:2015/8/27

基本原理

ごくごく薄い p 型半導体を n 型半導体で挟んだものを npn 型トランジスタと呼ぶ.逆の構造になっているものを pnp 型トランジスタと呼ぶ.

トランジスタの構造図

説明のために真ん中の層をとても厚く描いてあるが,実際は 1 ミクロン以下である.これらは電圧を掛ける方向が違うだけで,原理はどちらもほぼ同じなので,npn 型で説明しよう.pn 接合のところで説明したように,電圧をかけない状態では接合面の近くの電子と正孔が中和して空乏層ができている.

トランジスタを構成する二種の半導体の2つの接合面のそれぞれで空乏層が発生している様子を表した図

空乏層の厚みもかなり誇張して描いてあるので気を付けてほしい.この両端に電圧をかけてみても電流は流れない.簡単に言えば,右側の pn 接合が逆方向につないだダイオードのようになっているからだ.

トランジスタに電圧をかけても電流が流れないことを表す図

もう少し具体的に説明しよう.左側の n 型半導体には電子が供給され,右側の n 型半導体からは電子が流れ去る.しかし,それは持続しない.電子は,中間にある p 型半導体を越えて先へ進むことが出来ないからである.この薄い層で電気を伝えるのは正孔だからだ.

ここで,中間にある p 型半導体にも外から導線を繋いで電圧をかけて電気が流れるようにしてやろう.pn 接合では p 型半導体の方にプラス極をつないでやれば普通に電気が流れるのだった.

トランジスタの挟まれた部分に電圧をかけたときに電流が流れることを表す図

こうすれば,間に挟んだ p 型半導体には正孔がどんどん注入されるので,接合面近くで電子と正孔が中和して,電流が流れていることになる.そしてこれには応用上,好ましい副作用がある.

p 型半導体にプラス極がつながっているため,左側の n 型半導体内部の電子が p 型半導体の内部へと強く引き込まれることになるだろう.実は p 型半導体の内部には,電場に助けられなくても,熱運動のエネルギーを得た電子が拡散して浸透しているのだが,その引き込まれる量がより一層多くなるのである.

そして,p 型半導体が極端に薄いために,電子の一部は p 型半導体を越えて反対側の n 型半導体へと辿り着く.そこまで来れば電場によって加速されて,普通に反対側まで電流が流れるのだ.

トランジスタの挟まれた部分に電圧をかけたときに全体にも大きな電流が流れることを表す図

つまり,中央に挟んだ p 型半導体に順方向の電圧を掛けることで,この 3 つの層を貫いて流れる大きな電流の量をコントロールできるのである.

この 3 つの層の半導体に付けた端子に名前を付けよう.今回のような npn 型の構造において,電流を流している主役は電子である.

左側の n 型半導体は,そのための電子を放出 (emit) する役目を持っているので,エミッターと呼ぼう.エミッターを表すのに頭文字の E が使われる.右側の n 型半導体は,拡散して漏れてきた電子を集める (collect) 役目があるので,コレクターと呼ぶ.頭文字の C が使われる.そして,中央の層に繋いだ端子のことをベースと呼び,頭文字の B が使われる.この呼び名は「点接触トランジスタ」と呼ばれる初期の実験的なトランジスタの構造に由来している.土台 (base) となる半導体鉱石に先の細い針を突き立ててエミッタとコレクターとして使える部分をかなり偶然に頼って探していたのだ.


性能を上げるための工夫

基本原理を話し終えたが,これだけでは実用化には程遠い.いくつかの改良の工夫が必要だ.

原理からして,エミッタからベース層へと熱拡散する電子の量を調整することが大事なのであり,大きな電流をコレクターに届けるためには,大量の電子を用意してやる必要がある.それでエミッタ側の n 型半導体にはかなり多くの不純物をドーピングしてやり,自由電子の量を多くすることが必要になる.

一方,コレクター側では,ベース層を抜けて来ることのできた電子を流せればいいので,それほどのドーピングは必要ない.それどころか,あまりドーピングを多くすると困ったことが起きてしまう.ベースとコレクターの間の接合面には,ダイオードで言うところの逆方向電圧を掛けて使う.そして,ベースに電圧が加わらない限りは,なるべくなら少しも流さないようにしておきたいのだ.そこでわざと電子が足りないくらいにしておいて,接合面付近の空乏層が広くなるようにしておく.電子が足りないから,広い範囲から電子をかき集めてくることになり,その結果として空乏層が広くなるというイメージだ.こうすることで高い電圧にも耐えることが出来るのである.しかしあまり減らし過ぎると今度は電流が流れにくくなる.すなわち抵抗が増えてしまうのと同じことになる.その辺りのバランスが大事だ.

これで,エミッタ層とコレクタ層のドーピング量を決める指針がイメージ出来た.では残るベース層内へのドーピングの量はどんなことを考慮して決めたらいいだろうか

ベース層内に準備する正孔の数をあまり多くすると,肝心なエミッタからコレクターへ流れるはずの電子がそれらと再結合してしまい,エミッタとベース間に大きな電流が流れてしまう.しかしかなり薄い層なので,少し密度が高めだったとしても正孔の全体量はそれほど多くはならないだろう.そういうわけであまり心配は要らないが,少なめにしておいた方が無駄が少ないのは確かだ.

ではどれくらいまで少なくしても平気だろうか先ほども言ったが,ベースとコレクタの接合面はダイオードで言えば逆向きの電圧をかけて使う状態になる.それによって空乏層が広がるわけだが,ベース層は非常に厚みが薄いので,あまりベース層内に向かって空乏層が広がられても困るのだ.ベース層の空乏層が広がって p 型半導体の性質を持つ部分が薄くなれば,エミッタから拡散してくる電子は容易にベースを通り抜けてきてしまう.極端な話,空乏層がベース内に広がりすぎて,エミッタ側の空乏層とつながってしまうと,エミッタとコレクタは直接つながったのと変わらない状態になってしまう.この状況を「パンチ・スルー」と呼ぶ.トランジスタとしての働きが全くなくなってしまう状態だ.

これを避けるために,少々の無駄には目をつぶって,ある程度はドーピング濃度を高くしておかないといけない.結果的には

エミッタ>>ベース>コレクタ

という感じの濃度になっている.ベースの濃度はコレクタの 10 倍程度,エミッタの濃度がコレクタの 10000 倍程度だ.

高周波の信号に対応するためにはベース層の厚みは薄い方がいい.ベースの厚みを通過する時間の遅れが問題になってくるからだ.しかしそれを実現するには微妙なバランスが求められることも今の話で分かってもらえるだろう.


電流で電流を制御するのはなぜか

ここまでの説明では BE 間に掛けた順方向電圧によって,コレクタ電流を制御するかのような話になっていた.しかし,現実にはそのような使い方はしない.

微妙な電圧によってコレクタに到達する電流が大きく変化してしまうので,直接 BE間に大きな電圧を掛けるのはまるで実用的ではないからだ.むしろ BE 間の電流によって制御するのである.

BE 間が順方向のダイオードと同じであることに注目しよう.少しダイオードについて復習する必要がある.

pn 接合では電圧を掛けないでいても接合面付近に空乏層が出来るのだった.なぜ接合面付近に限られているかというと,あまり多量の移動をすれば電荷が偏った状態になってしまって,電子や正孔を引き戻す力が働くからであった.

ここに外部から電圧を掛けてこのバランスを崩すことで電流が流れるのであるが,電子が正孔と一緒になる際のエネルギーの落差があり,これを供給し続けてやらないといけない.幸いなことに熱エネルギーによって,幾らかの割合の電子はそのレベルのエネルギーを持っており,少しの電圧を掛けるだけでも電子と正孔の再結合は始まる.電子の熱エネルギーの分布は指数関数的になっており,電圧が少し上がるだけでも多くの電子が再結合に関与できるようになり,どっと電流が流れ始めることになる.

要するに,pn 接合というのは,オームの法則には従わないで,少しの電圧を掛けるだけで指数関数的に電流が大きくなるという性質があるのである.掛ける電圧を上げれば上げるほど,抵抗が減っていくようなイメージでもある.この辺りのことは少し前の「ダイオード」という記事で説明したのだった.

そんなところに 2 V とか 3 V とかの電圧を直接かけようものなら,電流が流れすぎて,あたかもショートさせたかのような状態になってしまう.そういう意味では,よくあるトランジスタの動作原理の説明は単純すぎて大間違いなのである.

ではトランジスタの BE 間にどうやって電圧をかけてやったらいいかというと,電流制限用の抵抗を直列に入れてやるのである.ずっと以前に LED の使い方を説明したことがあるが,あれと同じことだ.

流す電流にもよるが,シリコントランジスタの場合には BE 間の電圧はだいたい 0.6 V ~ 0.8 V くらいである.トランジスタにとって適正な電流の範囲であれば,大きく電流が変化しても電位差はほんのこれくらいしか変化しないということである.残りの電圧は電流制限用の抵抗に掛かる.

実際にトランジスタを使って回路を組むときには,この性質を積極的に利用してやることにしよう.BE 間の微妙な電圧を恐る恐る調整するよりは,電流を大きく変化させた方がやりやすい.ベース電流を変化させることで,BE 間の電圧を微妙に操り,コレクタ電流をさらに大きく変化させるのである.

このような仕組みを利用しているがゆえに「トランジスタはベース電流を使ってコレクタ電流を大きくコントロールする電子部品である」と言われるのである.簡単な回路を気楽に設計する際には,BE 間の電圧の微妙な変化をそれほど意識しなくても良くて,ベース電流を使ってコレクタ電流をコントロールするというイメージで良くなっている.



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