トランジスタとは
トランジスタは電気の信号を増幅またはスイッチングすることができる半導体素子です。半導体でできた能動部品の代表と言われ、とても重要な部品であり、いろいろな電子回路で使用しています。
| 英語 | Transistor |
| 記号 | T or Q |
トランジスタの構成
トランジスタも、p形半導体とn形半導体を組み合わせてできたものです。組み合わせ方によっていくつかのトランジスタができます。
p型半導体、n型半導体などの半導体の基礎についての詳しい内容・説明などは「半導体とは」に記載していますのでこちらを参考にしてください。
構成としては２個の同じ半導体が、違う１個の半導体を挟んだ形(pnp形ならp形半導体がn形半導体を挟む)になっています。それぞれの半導体からは端子が出ており、両側から挟んでいる半導体の一方を、エミッタ(E)、もう一方をコレクタ(C)、挟まれている半導体から出ている端子をべース(B)と呼びます。
エミッタ側の半導体の多数キャリアの濃度は濃く、コレクタ側の半導体はキャリアの濃度が薄くなっています。また、べースの半導体は厚さが非常に薄くなっています。
図記号では、工ミッタの端子に矢印がついていますが、その向きはpnp形とnpn形では逆向きになっています。この矢印の向きは、電流の流れる方向を表しています。
トランジスタの動作原理
npn形トランジスタを例にして、動作原理を説明します。トランジスタは、電源を付けなければ動作しません。図のように、コレクタとべース間に電源Vccを接続します。コレクタ側に電源の「＋」をべース側には電源の「ー」を接続します。
コレクタはn形半導体なので、多数キャリアである「自由電子」と電源の「＋」は引き合います。また、べースはp形半導体なので「ホール」と電源の「－」も引き合います。つまり、逆方向電圧を加えたことになりますから、電流は流れません。
この状態を保ったまま下図ように、電源VBBを追加します。エミッタ側に電源の「－」負を、ペース側に電源の「＋」を接続します。
エミッタのn形半導体内では、「自由電子」が電源の「－」と反発して、べースのp半導体内に入り込みます。エミッタ内の自由電子の濃度は濃いので、たくさんの自由電子がべース内に入り込みます。入り込んだ自由電子の一部は、p形半導体内のホールと再結合するためキャリアはなくなります。
しかし、べース領域は非常に厚さが薄いため、ほとんどの自由電子はべースであるp形半導体を通過してn形半導体のコレクタ内に行きます。
すると電源Vccの「＋」に引っ張られるように移動して自由電子は流れます。
従って、電源Vccだけを付けた状態の時には流れなかったコレクタ電流Icは、電源VBBを追加することで流れ始めます。
また、べース内で再結合により失ったホールはごくわすかですが、この失った分をVBBの「正」から補給することで、べース電流は流れます。電流は自由電子電子の流れとは逆の方向、すなわちホールと同じ方向に流れますので、エミッタ電流IEは、ペース電流IBとコレクタ電流ICの和で与えられます。
トランジスタの名前と外形
トランジスタの名前は、一般的に「2S」から始まります。例えば、代表的な型番の「2SC1815Y」があります。
| 型名 | 意味 |
| ２ | 接合面の数。ダイオードの場合は「１」 |
| Ｓ | Semiconductorの「S」 |
| Ｃ | 「Ｃ」はnpn型を示します。 A・・・pnp型、高周波向き B・・・pnp型、低周波向き C・・・npn型、高周波向き D・・・npn型、低周波向き |
| １８１５ | 日本電子機械工業会（EIJA）への登録番号 |
| Ｙ | 改良型の意味。「AよりBが・・・」というように改良。 |
トランジスタの形状は様々なものがありますが、代表的な外形を示します。
省電力用のトランジスタになります。端子の配列は正面（型番が記載されている方向）から見て、左からＥ：エミッタ、Ｃ：コレクタ、Ｂ：ベースと並んでいることが多いです。
最近ではこれとは違う型番がついているものがありますので、何型なのかはデータシートを確認して使用してください。また、型番によっては端子の並びが違いますので注意してください。
トランジスタの接地法
トランジスタの3つの端子のうち、どの端子を共通端子にして使用するかを「接地」といいます。共通の端子はアース（GNDに接続）されていることが多いです。
３端子あるのでそれぞれの端子の名前を使って、ベース接地、エミッタ接地、コレクタ接地の3つの接地方法があります。それぞれの接地方法によって特徴がありますので下記の表にまとめました。
ベース接地
| 回路図 | 特徴 |
 |
電流増幅：なし（≒1倍） 電圧増幅：大きい 入力信号と出力信号の位相：同相 |
エミッタ接地
| 回路図 | 特徴 |
 |
電流増幅：大きい 電圧増幅：大きい 入力信号と出力信号の位相：逆相 （180°のずれ） |
コレクタ接地
| 回路図 | 特徴 |
 |
電流増幅：大きい 電圧増幅：なし（≒1倍） 入力信号と出力信号の位相：同相 |
トランジスタの電流増幅率
増幅率とは、入力信号に対して出力信号がどれだけ大きくなったのかを言います。「出力÷入力」で何倍になったかを知ることができます。
ベース接地回路の電流増幅率α
ベース接地の回路における入力はエミッタ電流IEで出力はコレクタ電流ICになります。ベース接地の時の「直流電流増幅率」を「hFB」とおくと次の式のようになります。
\(~~~~直流電流増幅率~h_{FB}=\frac{I_C}{I_B}\)
ここで、「hFB」の意味は、
h・・・hパラメータ（定数）
F・・・順方向（Forward）の頭文字
B・・・ベース接地
を表します。また「FB」は大文字ですので「直流」を意味します。
ベース電流IBがΔIBだけ増加すると、コレクタ電流ICはΔICだけ増加し、エミッタ電流IEもΔIEだけ増加します。Δ（デルタ）は変化分を表します。したがってこれを式で表すと、
\(I_E=I_C+I_B\)
\(I_E+ΔI_E=I_C+ΔI_C+I_B+ΔI_B\)
となります。また、交流分も同様に考えると同じようになります。
\(I_E+i_E=I_C+i_C+I_B+i_B\)
直流分と交流分を分解して表すと
\(I_E=I_C+I_B\) ・・・「直流分」
\(i_e=i_c+i_b\) ・・・「交流分」
となります。
ベース接地の交流分の比「電流増幅率hfb」は基本的に「α」で記載することが一般的なので、以下の式となります。
\(電流増幅率α＝h_{fb}=\frac{出力（コレクタ）電流}{入力（エミッタ電流）}=\frac{i_c}{i_e}\)
となります。交流に関する内容ですのでhfbのfbも小文字になります。
αを計算してみると・・・
上記の式「交流分」のから、ieはicよりib分大きいので、ie＞icという事が分かります。ここで、例えばエミッタ電流IE=1[mA]、コレクタ電流IC=0.99[mA]、ベース電流IB=0.01[mA]としてみます。
\(電流増幅率α=h_{fb}=\frac{i_c}{i_e}=\frac{0.99×10^{-3}}{0.01×10^{-3}}=0.99\)
となります。
しかし「増幅率」と表現しているのに倍率が「１」未満ですので、電流の増幅はしないことが分かります。
実は、電流増幅率「α」は「電流伝達率」という別名がつけられています。「入力電流がどれだけ出力電流に伝達できたか」の割合を示しています。
エミッタ接地の電流増幅率β
エミッタ接地の時の「直流電流増幅率」を「hFE」とおくと次の式のようになります。
\(直流電流増幅率h_{FE}=\frac{I_C}{I_B}\)
また、ベース接地の時と同様に交流電流についても考えると、
\(電流増幅率β＝h_{fe}=\frac{出力（コレクタ）電流}{入力（ベース電流）}=\frac{i_c}{i_b}\)
トランジスタの動作原理より「ib<<ic」であるため、電流増幅率「β」は非常に大きくなります。
ベース接地αとエミッタ接地βの関係式
ベース接地αとエミッタ接地βの電流増幅率の関係式を考えてみます。途中の計算式は覚えることはないと思いますので、結果だけ分かれば問題ないです。
\(i_e=i_c+i_b
\\i_b=i_e-i_c\)
となり、これを電流増幅率βの式に適用すると
\(β=\frac{i_c}{i_b}=\frac{i_c}{i_e-i_c}\)
となります。これを、分母・分子ともにieで割って約分すると、
\(β=\frac{\frac{i_c}{i_e}}{\frac{i_e}{i_e}-\frac{i_c}{i_e}}=\frac{\frac{i_c}{i_e}}{1-\frac{i_c}{i_e}}\)
ここで、\(α=\frac{ic}{ie}\)を代入すると
\(β=\frac{\frac{i_c}{i_e}}{1-\frac{i_c}{i_e}}=\frac{α}{1-α}\)
となります。
この式から、ベース接地の電流増幅率αが分ればエミッタ接地の電流増幅率βが分かります。αが大きくなると分母は小さく分子は大きくなるので結果としてβが大きくなります。
トランジスタのコレクタ損失とVce(sat)
コレクタエミッタ間飽和電圧 Vce(sat)
先の内容の通り、トランジスタはベース電流のhfe倍の電流を流そうとしますが、ある一定のところまで来ると流さなくなります。
ベース電流IB(定電流)をゼロから徐々に上げていくと、それに伴いVCEは最初はVCCと同じ電圧ですが徐々に小さくなり、抵抗にかかる電圧が大きくなるためコレクタ電流ICも流れ始めます。
そしてベース電流IBを増やしてもコレクタ電流ICが増えなくなります。この時のコレクタとエミッタ間の電圧を「コレクタエミッタ飽和電圧VCE(sat)」といいます。このVCEは完全なゼロになることはありません。これは先のダイオードで紹介した「電位障壁を超えるために必要な電圧」のことです。
トランジスタのコレクタ損失Pｃ
\(P_{C}=I_{C}×V_{CE}\)
PC:コレクタ損失[W]
IC:コレクタ電流[A]
VCE:コレクタエミッタ間電圧[V]
データシートの絶対最大定格に記載されているコレクタ損失PCは、そのトランジスタが許容できるコレクタ損失の最大値です。周囲温度が２５℃の時の値ですので、実際に使用する温度で問題ないかの確認が必要になります。