電子回路のパーツ「トランジスター」
基本的な半導体ですが、いざ勉強しようと思うと、実はなかなか難解です
「いつかは攻略してやろう」と思いつつも、専門書を広げて、数式が並んでいるのを見ると・・・「うゎ！」・・・ついつい飛ばし読みで、あと回し
そうなんですよ、トランジスター回路は基本ながら、なかなか手ごわい
今回は、トランジスターについて、自分の復習も兼ねて書いてみたいと思います
「名前は知っているけど、トランジスターって何？」という初心者の方でも
解りやすいように、図などを多く使いました
トランジスターとは、どんな部品？
誤解を恐れずに、一言で言うなら
トランジスターは
電源の「電圧・電流」を使って
小さな信号を、大きな信号に変換（増幅）
することのできる素子です
トランジスターの構造
一般的なシリコントランジスターは
シリコンの「P型半導体」と「N型半導体」を交互に接合した構造です
トランジスターの三層構造は「PNP」か「NPN」の二種類になります
それぞれの層には電極があり、それぞれ
- コレクタ (C)
- ベース (B)
- エミッタ (E)
という名前がついています
※中間に挟まれた層は必ず「ベース」になります
トランジスターの型番
日本メーカーのトランジスター（または、セカンドソース品）は
次のような法則で、名前が付けられています（○は数字の番号）
- 2SA○○○・・・（PNP型・高周波用）
- 2SB○○○・・・（PNP型・低周波用）
- 2SC○○○・・・（NPN型・高周波用）
- 2SD○○○・・・（NPN型・低周波用）
例：2SC1815・・・NPN型・高周波用
近年では違う命名もあります
例：東芝製：TTA008（PNP型・高周波用）など
海外製トランジスターでは、型番の法則は全く違います
例：2N3906（NPN型）/2N3906（PNP型）
BC547（NPN型）/BC557（PNP型）
※型番からはどちらか（PNP型/NPN型）わからないですね
トランジスターには、PN接合が2つある
トランジスターの構造をよく見てみると
PN接合（ダイオード）が2つあることがわかります
- ベース/コレクタ間（コレクタ側PN接合）
- ベース/エミッタ間（エミッタ側PN接合）
シリコン半導体や、PN接合、ダイオードの順バイアスについては、コチラで書いています
トランジスターに電流を流す
トランジスターが持つ「2つのダイオード」を、単純にダイオードとして使う
これでも、電流は流れますが・・・
このような使い方は、まずありません
トランジスターは、増幅やスイッチとして使われる場合
コレクタ側PN接合 ＝ 逆バイアス
エミッタ側PN接合 ＝ 順バイアス
になるように電源をつなぎます
例えば、この回路のように電源と接続します
すると、ベース電流（IB）と、
ベース電流(IB)より、はるかに大きなコレクタ電流（IC）が流れます
ベース、コレクタを流れた電流は、合流してエミッタ電流(IE)となります
つまり・・・
IE ＝IB+IC
そして、最も大きな特徴は・・・
IBを増やせばICも増加し、IBを減らすとICも減少します
本当にそうなるのか、よく使われる2SC1815で実測しました
電圧は12Vです、ベース電流は可変抵抗器で分圧しています
実測結果はこのようになりました
確かに「IBが増加」すると「ICも増加」しています
ｈFE（直流電流増幅率）
IBとICの関係は
IC = ｈFEｘIB
で表せます
「ｈFE」は「直流電流増幅率」といいます
IBに対するICの増加は、非常に直線的です
ただし、ICが大きくなるとｈFEが低下し、直線性が悪くなります
IBが増加すると、ICも同様のカーブで追従し、増加します
このように、X軸をICにしてみると、直線的な増加が、ハッキリわかりますね
ｇｍ（相互コンダクタンス）
NPN型トランジスターのIBは、ベースからエミッタに向かって流れます
これは、ベース・エミッタ間のダイオードに電流が流れるからです
すると、ベース・エミッタ間電圧（Vbe）も、ごくわずかですが変化します
もう一度、実測データを見てみましょう
確かにICの変化で、微量ですがVbeも変化しています
Vbeに対するICは、指数的な変化になります
Vbeの直線的増加に比べ、ICは指数的増加になっています
X軸をICにしてみると、VbeとICの関係が「指数カーブ」とわかりますね
VbeとICの関係は
相互コンダクタンス（ｇｍ）といいます
ｇｍ＝ ⊿IC/⊿Vbe
で表します。単位はS（ジーメンス）です
相互コンダクタンス・ｇｍは
Ic/Vbeではありません
⊿Ic/⊿Vbeです
Vbe微小変化（⊿Vbe）あたりのIcの変化（⊿Ic）
VbeとIcのグラフに引いた「接線の傾き」です
ｇｍはIcに依存して大きくなることがイメージできます
トランジスターのｇｍは
少電流時（～10ｍA程度）次の式で計算できます
ｇｍ（S）＝40・IC（290K）
※一般に常温は300Kですが、値が半端です、ｇｍ＝38.7・IC（300K）
私が学んだ書籍でも「ｇｍ＝40・IC」としていて、理解し易いかったので
コチラの値を使っていきます
※トランジスターは、品種によらず、少電流時のｇｍはこの式で計算できます
※ICが大きくなると、ｇｍは計算値より小さくなります
トランジスターの「増幅作用」を実験してみる
それでは、実際に「増幅作用」を実験で「体感」しましょう
今回使ったLEDは高輝度タイプです
旧タイプのLEDだと、ほんのり点灯といった場合もあります
トランジスターは、できれば（BL）ランクのものが良いです
電源は5Vを使いました
まず、LEDに1MΩという高抵抗をつなぎます
5Vの電源につないでも、当然ですが点灯しません
光ったとしても、うっすらです
これは、LEDの電流が少なすぎるからですね
トランジスターを使って電流を増幅
今度はトランジスターを使ってみます
このように、ベースに1MΩをつなぎ
トランジスターで電流を増幅してみます
LEDはコレクタ側につなぎます
（電流が流れすぎないように、LEDには1KΩを入れておきます）
使用したトランジスターは、2SC1815です
入手可能ならBLランクのものが良いです
2SC1815は、ケースの型番が読める側から見て
左から
「E:エミッタ」
「C:コレクタ」
「B:ベース」
です、通称ECB（エクボ）配列なんて呼ぶ方もいます
それでは、ブレッドボードに組んでみます
今度は、明るく点灯しました
応用：タッチしてLEDを光らせる
ベースの抵抗に代わり、電極を付けました
人間の指も電気を通しますので、
このように、電極間にタッチすると・・・
なんと！LEDが点灯します
実験としては、面白いですね
ただ、実用的なタッチセンサーとして使うには、
この回路は問題があります
タッチする電極が金属などでショートすると
トランジスターのベースが破損します
何らかの保護（抵抗を入れるなど）が必要です
もっと増幅度をあげるには
さらに、増幅度を上げる方法もあります
「ダーリントン接続」といいます
このようにトランジスターを接続すると
トータルのｈFEは、
（Q1のｈFE）ｘ（Q2のｈFE）
になります
仮にｈFEが、Q1＝100、Q2＝100だとしたら
トータルのｈFEは（100ｘ100＝10000）にも達します
BLランクの最大値がｈFE700程度ですから、
ｈFE100のトランジスター2つで、その10倍以上になるわけですね
ダーリントン接続にすると、
タッチセンサーの電極と、ベースの間に1MΩを入れても
全く問題ありません
これなら、センサー部分の電極が
金属などでショートしても大丈夫です
まとめ
トランジスターは
- 構造によってNPN型、PNP型があります
- 小さなベース電流で、大きなコレクタ電流をコントロールする素子です
- IC=IBｘｈFE
- IBとICの関係は直線的です
- また、小さなVbe変化で、大きなコレクタ電流をコントロールするとも言えます
- ｇｍ＝⊿IC/⊿Vbe ＝40ｘIC（ｇｍはICに依存して変化する）
- VbeとICの関係は指数的です
トランジスターは増幅やスイッチとして使う場合
コレクタ・ベース間を逆バイアス
エミッタ・ベース間を順バイアス
で使います
通常、エミッタ・ベース間電圧「Vbe」は0.6V～0.7V位です
ダーリントン接続などを用いると、ｈFEを大幅に増加できます
