電子部品

トランジスターとは何だろう?仕組みを解説します

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

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※PPNとか、NNPといった構造のトランジスターはありません

必ず「PNP型」か「NPN型」になります

一般的なトランジスターは、シリコン(Si)の半導体です

過去にはゲルマニウム(Ge)のトランジスターも製造されました

また、高周波用などに砒化ガリウム(GaAs)などのトランジスターもあります

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

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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

PN接合を順バイアスすると、およそ0.6V~0.7V位になります

これは、とても大切なことなので覚えておきましょう

トランジスターは通常、

ベース(B)/エミッタ(E)間を「順バイアス」で使います

なので、回路記号のエミッタには電流方向の矢印がついています

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

ダイオードをわかりやすく解説します 電子工作でよく使われる「ダイオード」について 初心者の方でも、わかり易くまとめました 電子工作でよく使われ...

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

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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

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確かに「IBが増加」すると「ICも増加」しています

トランジスターは

小さなベース電流(IB)変化で、

大きなコレクタ電流(IC)をコントロール

する素子だとわかりますね

FE(直流電流増幅率)

IBとICの関係は

IC = hFExIB

で表せます

「hFE「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

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IBが増加すると、ICも同様のカーブで追従し、増加します

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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

FEは同じ型番でも、かなりバラツキがあります

よく使われる2SC1815では

70~700位にばらついています

特別バラツキが激しいわけではありませんが

これでは、回路設計が難しくなってしまうので

メーカーでは選別をしています

2SC1815ではhFEの分類を

  • O:70~140
  • Y:120~240
  • GR:200~400
  • BL:350~700

としていて

2SC1815(Y)といったように、選別ランクを示します

他メーカーでは「A・B・C・・・」といった分け方など様々です

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

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もう一度、実測データを見てみましょう

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確かにICの変化で、微量ですがVbeも変化しています

つまりトランジスターは・・・

小さなVbe変化で、

大きなコレクタ電流(IC)をコントロール

とも言えるわけですね

Vbeに対するICは、指数的な変化になります

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Vbeの直線的増加に比べ、ICは指数的増加になっています

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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

相互コンダクタンス(gm)は、別の見方をすれば

「Vbeが1mV変化」した時の

「ICの変化率」とも言えます

例:IC=1mAの時のgmは

40x1mA=40mS

これは、Vbeが1mV変化すると、ICは4%変化します

もし、IC=1.2mAだったら

40x1.2mA=48mS

Vbeが1mV変化で、ICは4.8%変化します

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

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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

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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

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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

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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

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ベースの電極をショートしないよう注意

保護抵抗が入っていませんので、トランジスターが破損します

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・・・

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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

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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

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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

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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