バイポーラトランジスターガイド

バイポーラジャンクショントランジスタとは？

バイポーラトランジスタは、正しくはバイポーラジャンクショントランジスタ（BJT）と呼ばれる、汎用性の高いディスクリート半導体デバイスです。ディスクリート半導体には、ダイオードや整流器からBJTまでさまざまなものがあるが、この特殊なデバイスは、複数の半導体部品をプリント回路基板（PCB）上に組み込んで機能を実現するのではなく、1つの半導体で1つの機能を果たすように設計されています。

バイポーラ接合トランジスタは、ベース、コレクタ、エミッタの3つのピンを3層のシリコンで構成した固体素子です。PNP（正-負-正）とNPN（負-正-負）の2種類に大別される。他のトランジスタと同様に、BJTの基本的な機能は、スイッチとしての機能や、電力の増幅、フィルター、整流などです。

バイポーラトランジスタは、電流を制御して動作するデバイスであり、はるかに小さいベース電流によってエミッタからコレクタへと大きな電流が流れます。トランスが電流と電圧のどちらかを増幅するのに対し、トランジスタは両方を増幅できます。最も一般的なエミッタ型のBJTは、電流を増幅するだけではなく、回路に組み込むことで、簡単に出力電圧を増幅できます。そのため、バイポーラトランジスタは、回路やシステム、製品の種類を問わず、信号増幅の手段として良く使われています。

BJTは、世界で最初に作られた機能的なトランジスターデバイスの一つです。初期のバイポーラトランジスタは、戦後の著名な物理学者・技術者のBardeen、Brattain、Shockleyらの進取の気性に富んだ研究成果でした。1940年代後半にベル研究所で開発されたBJTは、その後数十年の間に世界の標準となりました。1956年のノーベル物理学賞は、この3人の功績に与えられました。

バイポーラ・ジャンクション・トランジスタは、アナログとデジタルの両方の信号を増加させることができ、また、直流電源の切り替えや発振器としての機能も持っています。BJTは主に（アナログ）電流を増幅するように設計されていますが、回路内の電子（デジタル）スイッチとしても機能します。

BJTの種類

バイポーラ接合型のトランジスタは、3層の半導体材料を挟み込んだ構造になっています。この層の配置により、バイポーラトランジスタには大きく分けてPNP型とNPN型の2種類があります。

半導体は、ある一定レベルの電子の流れを許容する物質です。そのため、真の導体でも絶縁体でもありません。ある半導体材料の全体的な導電性のレベルは、製造段階でさまざまな不純物を導入するドーピングと呼ばれるプロセスによって左右されます。

ドーピングは、半導体材料中の電子数に影響を与えることで、その導電性と層から層への電流の流れの方向性の両方を増減させることができる。これは、添加・除去する不純物の種類や層の配置によって異なる。

BJTでは、半導体層のうち1層または2層にドープして電子数を増やし、負に帯電させる（N型）。一方、残りの1層または2層に正孔をドープして電子不足にして、正の電荷を持つようにしたものがP型です。

BJTの半導体サンドイッチに含まれるドープ層の種類と配置によって、BJTを流れる電流の方向が反転します。そのため、バイポーラトランジスタの構造には2つの基本タイプがある。PNPトランジスタは、N型半導体をP型材料で挟んだもので、NPNトランジスタはその逆です。

• PNP（ポジティブ・ネガティブ・ポジティブ）とNPN（ネガティブ・ポジティブ・ネガティブ）の頭文字をとって、BJTの中で挟まれている半導体層の順番を表しています。
• このシリコン層の配置によって、電流はどちらかの方向に流れます。
• NPNトランジスタは、P型シリコン（ベース）を2枚のN型シリコン（コレクタとエミッタ）で挟んだ構造になっています。これが最も一般的なベース構造です
• PNPトランジスタはこの順序を逆にしたものです。
• 最も一般的に使用されているトランジスタの構成は、NPN トランジスタです。

BJT特性

バイポーラトランジスタには、さまざまな特性があります。

• 低い入力電流を利用して、より大きな電流を出力できます。
• 機械式のスイッチは、常にアクチュエータを物理的に動かす必要がありますが、トランジスタスイッチの2値のオン/オフ状態は、基本的に電圧で制御されています。
• 機械的なスイッチとは異なり、PWM（パルス幅変調）信号で制御することができます。
• トランジスタスイッチは、機械式と違って物理的なバウンドがありません。

バイポーラトランジスタスイッチング特性

電子回路のある部分から別の部分への電力の流れを制御することは、トランジスタの重要な機能の1つです。トランジスタは、増幅器ではなく、電子的なスイッチの役割を果たしています。BJTは、飽和または遮断モードにすると、通常の回路スイッチの2値のオン/オフ機能を再現します。そのため、論理ゲートを作る為にも使われています。

この図は、単純な回路における電子の流れを示しています。

(a) メカニカルスイッチ

(b) N-P-Nトランジスタスイッチ

(c) P-N-Pトランジスタスイッチ

バイポーラジャンクショントランジスタの理論

バイポーラジャンクショントランジスタとは、2種類のシリコンを用いて、正と負の電荷を結合させる（バイポーラ）ことで半導体2種類のシリコンを用いて正負の電荷を結合させる（バイポーラ）ことからこう呼ばれています。この2種類のシリコンの電荷キャリアを物理的にさまざまな形で挟み込み、一種のジャンクションを形成する。

バイポーラ・ジャンクション・トランジスタは、ベース、コレクタ、エミッタと呼ばれる3つの端子から構成されている。BJTにおけるコレクタとは、増幅された電流を出力する部分のことで、単純に定義すると、トランジスタの一部です。他のトランジスタと同様に、BJTの基本的な動作概念は、ベース領域とコレクター領域の間に流れる少量の電流が、コレクター領域とエミッター領域の間に大きな電流を流すことです。

トランジスタは増幅器の一種であり、現代のオーディオ技術を駆動するための最も一般的な用途の一つとなっています。バイポーラデバイスは大電流に対応できるため、電子オーディオのI/Oや無線送信機などのハイパワーアンプとして威力を発揮します。

他のトランジスタと同様に、BJTはベース-エミッタ間の接合電流の範囲によって、直線的にも非直線的にも機能します。あるモデルの指定された電流範囲外では、ベース・エミッタ間電流とコレクタ・エミッタ間電流の間の線形関係（電流ゲインとも呼ばれる）は、線形ではなくなります。つまり、BJTは通常のアクティブ（増幅）モードだけでなく、カットオフ（オフ）モードやサチュレーション（オン）モードでも駆動することができます。

アクティブモード

このモードでは、トランジスタはベース端子からコレクタに流れる電流の増幅器として機能します。このモードでは、ベース端子からコレクタに流れる電流の増幅器として機能し、コレクタ端子からエミッタに流れる電流を比例的に増加させることができます。

これは、トランジスタの動作モードの中でも最も多彩で強力なモードであり、回路に使用されるトランジスタの最も一般的な用途と言っても過言ではありません。

オン、サチュレーションモード

このモードでは、トランジスタは、共通のコレクターと共通のエミッターの間で実質的に短絡として動作します。トランジスタが閉回路または完全な回路として動作するため、両者の間に流れる電流は基本的に制限されません。

オフ、カットオフモード

このモードは、飽和とは逆の状態です。トランジスタは本質的に開いた回路のようなもので、コレクター電流が流れないため、エミッター電流も出力されない。

BJTは、カットオフモードやサチュレーションモードになると、実質的に2値（オン／オフ）回路のスイッチのように機能します。これは増幅だけでなく、トランジスタの最も強力な用途の一つです。