技術解説バイポーラトランジスタの基本と使い方

2018年05月02日

アナログ回路設計

【始めに】

本アナログ回路設計編では、: ・アナログ回路の主役部品といっても良いトランジスタ、オペアンプの基本の理解; ・回路シミュレータ「SPICE」を活用しアナログ回路を設計する技法
を紹介します。

【回路シミュレータの活用】

現代の回路設計の現場では、SPICEという回路シミュレータ^※を活用しています。この回路シミュレータを駆使し: ・DC解析; ・AC解析; ・過渡解析（トランジェント解析）
といった回路の諸性能の解析をコンピュータ上で行い、設計した回路に誤りや問題がないかを確認し、設計完成度を高めて行きます。

※本コンテンツでは、アナログ・デバイセズ社が提供しているアナログ回路シミュレータLTspiceを使用します。

トランジスタの基本

トランジスタとは

トランジスタとは、電気の流れ（電流）を制御する部品で信号の増幅器（アンプ）や回路をオンオフするスイッチとして利用されます。トランジスタには、バイポーラ型とユニポーラ型がありますが、一般にトランジスタと呼ぶ場合、バイポーラトランジスタのことを指します。ユニポーラ型は、電界効果トランジスタ（FET）です。

ここでは、バイポーラトランジスタについて説明します。

トランジスタの基本構造

トランジスタの構造は、半導体のPN接合を利用しています。バイポーラトランジスタは正孔と電子の２つのやり取りで動作します。すなわち双極で動作するという意味でバイポーラトランジスタと呼ばれています。

下図のようにN層、P層をサンドイッチの様に挟んだ構造でP層のベースとN層のエミッタの間とP層のベースとN層のコレクタの間は、PNジャンクションでありダイオードと同じ構造です。

電極は、コレクタ、ベース、エミッタの3つがあります。

トランジスタの動作原理

NPNトランジスタで動作原理を説明します。

トランジスタの原理(Principle of transistor operation)

1 ベース～エミッタ間に電源Vbをコレクタ～ベース間に電源Vcを接続します。
2 ベース～エミッタ電源が印加されていない場合は、コレクタ～ベース間に電源が印加されていても電流は流れません。
3 ベース～エミッタ電源が印加されるとベース電流(Ib)が流れコレクタ～ベース間もコレクタ電流(Ic)が流れます。

エミッタのN層ベースのP層へ電子が流れ込み、エミッタ電流となります。エミッタ電流の一部はベース電流となります。

ベースのP層の厚さは非常に薄いため、エミッタから流れ込んだ電子の大半は、ベースとコレクタの接合部に達しベースとコレクタの電位差によってコレクタ内に拡散してゆき殆どがコレクタ電流となります。

エミッタから注入される電子の数は、ベースエミッタ間電圧(VBE)によって決まります。つまり、ベース電流の増減でエミッタ電流が変化し、結果として、コレクタ電流の増減変化として現れます。

各電流の関係を式で表すと

Ie ＝ Ic ＋ Ib

となります。

トランジスタは、ベース電流を制御することでコレクタ電流の制御が出来る素子です。

ベース電流はわずかでも大きなコレクタ電流が流れます。このIbに対するIcの変化する割合を電流増幅率と呼び、hfeと言う記号で表現しています。

hfe ＝ Ic / Ib

仮にエミッタ電流が100だとするとベース電流は、1とわずかですが、残りの99はコレクタ電流になります。この時、電流増幅率hfe ＝ 99 ということになります。

トランジスタの使い方

トランジスタの使い方は、３つの電極端子のいずれを入力、出力端子として使うかによって大まかに３種類あり、使用目的によって使い分けます。

入出力ともに共通に使うコモンをいずれの電極にするかによって変わり、以下の3種類になります。: ・エミッタ接地：エミッタを共通端子とし、ベース、コレクタを入出力端子とする使い方; ・ベース接地：ベースを共通端子とし、エミッタ、コレクタを入出力端子とする使い方; ・コレクタ接地：コレクタを共通端子とし、ベース、エミッタを入出力端子とする使い方