トランジスタを徹底解説!原理・用途・使い方をマスターしよう

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電子回路や電子部品に詳しくない方でも、トランジスタは聞いたことがあるでしょう。

初出は1948年と非常に歴史のある電子素子ですが、今なお多くの機器類の根幹となる回路を担っています。

その汎用性の高さから、「現代産業における米」などとも言われてきました。

でも、実際トランジスタの中でどのような現象が起こっているかわかりづらく、また、種類の煩雑さから苦手意識を持っている、なんてことはありませんか?

そこでこの記事では、トランジスタの種類ごとの原理と仕組み、用途、使い方を徹底解説いたします!

トランジスタを理解することは、あらゆる回路を深く知ることに繋がります。

この機会にぜひマスターしてくださいね。

1. トランジスタとは?

トランジスタは主にシリコンで構成される半導体デバイスです。

さらに、三つの端子を有することが特徴です。

トランジスタの特性は以下の二点に集約されます。

  • スイッチング作用
  • 電流電圧の増幅作用

入力端子から外部信号を受け取りますが、オンオフを切り替えるスイッチング作用を行うことで、受け取った微弱な信号を所望の電流電圧や信号へと変換させるために用いられてきました。

ちなみにこのようにオンオフで任意の切り替えを行うことができる素子を自己消弧(じこしょうこ)素子と呼びます。

また、増幅作用はどの電子機器にも必須の機能です。

発振回路といった機器の根幹をなすものに使われていることを鑑みると、パソコン、スマートフォン、家電、デジタルカメラなど、私たちの身の回りのあらゆる機器にトランジスタは組み込まれていることがわかります。

なお、冒頭でも述べたように、トランジスタの初出は1948年です。

それまでは半導体というものが無く、ダイオードの整流作用やトランジスタの増幅作用などを含め真空管がその役割を担っていました。

真空管とは、ガラスなどの内部に複数の電極を配置したもので、内部が真空状態となります。

この真空管は容量が大きく消費電力も大きいため、電子機器の小型化には向いていませんでした。

そこで小型・軽量化が容易で消費電力も少なく、かつ長寿命を誇るトランジスタがその役割を引き継ぐようになります。

現在あらゆる電子機器が小型化されているのは、このトランジスタのおかげと言っていいでしょう。

ちなみに真空管が全く廃れたかと言うとそうではなく、なんでも音響機器のアンプは半導体よりも真空管の方が音質は良い、という考え方があり、あえて真空管アンプを自作する方もいらっしゃるようです。

2. トランジスタの原理とそれぞれの種類による仕組み

トランジスタは半導体であり、p型半導体とn型半導体を用いて三相構造を形成します。

そして、その特性を活かして増幅作用やスイッチング作用を実現しています。

つまり、シリコンに不純物を混ぜ(ドーピング)、物質内の価電子の数に差をつけ、一定の状況下で電流が流れたり流れなかったりする半導体としての特性を利用することとなります。

さらに、複数の半導体を組み合わせることでそれぞれ内包する電子を組み合わせて出力する、というものが主な動作原理となります。

このそれぞれの三相の半導体には名称があり、電荷を集める「コレクタ」、電圧印加によって制御を行う「ベース」、電荷を出力する「エミッタ」となります。

しかしながら種類によって構成が異なり、おのずと仕組みが変わってきます。

そこで、トランジスタの代表的な分類である「バイポーラトランジスタ」「ユニポーラトランジスタ」に分けて、それぞれの仕組みをご紹介いたします。

① バイポーラトランジスタ

バイポーラトランジスタとは、プラスとマイナス二種類の極性の電荷が、それぞれお互い動作に関与し合うトランジスタのことです。

ラテン語で2を「バイ」と呼ぶことから、こう名付けられました。

また、駆動方式は電流によります。

構造を見てみると、n型半導体とp型半導体をサンドイッチ状の構成となっています。

n型半導体が負(マイナス)の電荷の電子が移動することで電流が生じる半導体、p型半導体が正(プラス)の電荷の正孔が移動することで電流が生じる半導体、でしたね。

p型半導体は電子が足りず、n型半導体は電子が余っている状態になっています。

トランジスタには、このp型半導体をn型半導体で挟むNPNトランジスタと、逆のPNPトランジスタが存在します。

■NPNトランジスタ

PNトランジスタは、n型半導体の間にp型半導体をサンドイッチ状に挟んだものです。

p型半導体はn型半導体に比べて、きわめて薄く設計してあります。

PNPトランジスタもありますが、実際の回路ではNPNトランジスタの方が比較的よく用いられています。

仕組みを解説いたします。

前述したコレクタ、ベース、エミッタですが、それぞれに端子がついています。

この「ベース」は制御のかなめ。そのためベース側端子から電圧印加する場合としない場合とで、電流が流れたり流れなかったりします。

まず、ベースに電圧印加しない場合。エミッタ側とコレクタ側がそれぞれマイナスとプラスになるよう電圧をかけると、エミッタのn型半導体内にある自由電子と、間に挟まれたp型半導体の正孔が結合することで、空乏層がそこにできます。

結果として、電流は流れません。

これを逆バイアスと呼びます。

一方エミッタ側、コレクタ側それぞれがやはりマイナスとプラスになるよう電圧をかけ、さらにベース側端子からプラスの電圧をかけます。

N型⇒P型は順方向バイアスに相当するため、エミッタ側から供給された自由電子が正孔に惹かれてベース側に流れ込み、エミッタ-ベース間に電流が流れます。

これをベース電流と呼びます。

この時、エミッタ-コレクタ間には前述の通り、それぞれマイナスとプラスの電圧が印加されていましたね。

p型半導体は非常に薄いため、エミッタ内部の自由電子はそこに留まらず、コレクタ側に移動していきます。

これは電気の流れる道筋ができることとなり、結果としてプラスのコレクタ側からマイナスのエミッタ側に電流が流れる(コレクタ電流と呼ぶ)こととなります。

つまり、ベース側から電圧印加して、エミッタ-ベース間に少量の電流を流してやることによって、エミッタ-コレクタ間に流れる電流が格段に増え、結果として増幅作用を獲得した、というわけです。

とは言え電源電圧より大きな信号を取り出すことはありません。

また、このベース側への電圧のオンオフで電流制御を行えるため、スイッチングとしても用いることができるのです。

なお、正孔と自由電子がどちらも動作に関わり合うため、「バイポーラ」(双極)と呼ばれます。

■PNPトランジスタ

PNPトランジスタはNPNトランジスタの逆で、p型半導体の間にきわめて薄く設計したn型半導体を挟み込んだ素子です。

仕組みはNPNトランジスタと一緒で、やはりベースによって電流制御をします。

ただし、半導体の並び順が異なるため、ベースにかける電圧はマイナスとなるので注意してください。

② ユニポーラトランジスタ

ユニポーラトランジスタもまたp型半導体とn型半導体で作られますが、構造がバイポーラタイプと異なります。

正孔と自由電子どちらかが動作に関与するため、ギリシャ語で1を表す「ユニ」を取ってユニポーラと名付けられました。

また、バイポーラトランジスタと異なり駆動方式は電圧となります。

ユニポーラトランジスタと言えば、FETが挙げられます。

FETとはField Effect Transistorの頭文字をとったもので、日本語に訳すと電界効果トランジスタです。

さらにFETは接合型FETとMOS FETに分類され、現在はもっぱらMOS FETが主流です。

このMOS FETについて、仕組みを解説いたします。

MOSはMetal Oxide Semiconductorの略で、金属酸化膜半導体を指します。

つまり、金属(Metal)と酸化物・膜(Oxide)と半導体(Semiconductor)を積層させたもの。

一般的には、半導体のシリコンの表面を酸化させ、SiO2(二酸化シリコン膜)を製造します。

その上に電極として金属をくっつけた構造となっています。バイポーラトランジスタと異なりp型半導体でn型半導体を挟み込むのではなく、n型半導体を二か所積層させるイメージです(後述しますが、n型半導体にp型半導体を積層させるものもあり)。

MOS FETも端子(電極)を三本有しますがコレクタ・ベース・エミッタとは呼ばず、ドレイン・ゲート・ソースの呼称を用います。

ただし、役割としては前者・後者それぞれが対照となっており、電荷の排出がドレイン、制御がゲート、電荷の源がソースとなります。

なお、単に「トランジスタ」と呼んだ時はバイポーラトランジスタであることが多く、MOS FETはそのまま表記することがほとんどです。

MOS FETもいくつかに分類されます。

■Nチャネル型MOS FET

p型半導体を土台にn型半導体にあたるソースおよびドレインを積層させ、Metal Oxide、つまり金属酸化物をそこにくっつけた構造をしたのがNチャネル型MOS FETです。

MOの反対側には、サブストレート(基盤のこと)が配置され、ソースと繋がっています。なお、バイポーラトランジスタと同様に、n型半導体それぞれからはソース・ドレイン、金属部分からはゲートの端子が付属しています。

前項でもご紹介したように、PN接合となった半導体は、そのままソース・ドレイン感に電流を流したとしてもほとんど流れることはありません。

そこで、ドレイン・ソースそれぞれにプラスとマイナスになるよう電流を流し、かつゲートからプラスの電圧を印加します。

すると、p型半導体にわずかにある自由電子がプラス電圧を感知してM・O部分に近づき、正孔は逆に内部に引き寄せられます。

結果として、ソース-ドレイン間に自由電子が移動できるようになり、電流が流れます。

ちなみにチャネルとは、「通路」「通り道」という意味です。

n型半導体部分が電子の通り道になることから、Nチャネル型MOS FETと呼ばれるようになりました。

バイポーラトランジスタでも言えることですが、制御を担うゲートは言ってみれば水門のようなものですね。

ここを開け閉めすることで水をせき止めたり、また流したりする、という作用です。

なお、ゲート側でかけた電圧が大きいほど、ドレインからソース側への電流の担い手が増えるため、より多くの電流を流すことができます。

■Pチャネル型MOS FET

Pチャネル型は、Nチャネル型とは逆で、土台にn型半導体、電流の通り道としてp型半導体が使われたMOS FETです。

やはり動作原理は同じとなりますが、ドレイン・ソースはそれぞれマイナスとプラスになるよう、ゲートにかける電圧はマイナスとなるようにして動作するので、注意しましょう。

■エンハンスメント型とデプレッション型

実はMOS FETに限らず電解効果トランジスタは、構造の違いの他に、電流の流れ方によっても分類があります。

それは、エンハンスメント型とデプレッション型です。

エンハンスメント型は、これまでご紹介してきたMOS FETの構造のように、ゲート電圧を印加して電流が流れる仕様のFETです。こういった設計をノーマリーオフと呼びます。

エンハンスメント(enhancement、増加という意味)、つまりゲート電圧の増加によって駆動する、というわけです。

MOS FETの多くはエンハンスメント型が採用されています。

一方のデプレッション型は、ゲートに電圧を印加しなくとも電流が流れるように設計されたFETです。

こういった設計をノーマリーオンと呼びます。

ノーマリーオンのFETはチャネル間に最初からp・nの反転層を作っておき、電流が流れないようにしてあります。

逆電圧をかけると、電流は流れなくなります。

デプレッション(depletion、減少と言う意味)、つまりゲート電圧を減少している、というわけです。

一般的にFETと呼ばれるジャンクション-FETの多くがデプレッション型を採用しています。

■CMOS

nチャネル型MOS FETとpチャネル型MOS FETの二つを組み合わせて論理回路を構成し、一つのチップ上に集積した電子部品をCMOS FET、あるいはCMOSと呼びます。

CはComplementary「相補的な」という意味で、nチャネル型とpチャネル型がお互いに助け合うことで動作することに由来しました。

それぞれお互いがお互いの負荷になるよう設計されており、回路に流れる電流を制御することができます。

結果として、低消費電力での駆動が可能となります。

現在CMOSはマイクロプロセッサやメモリ、デジタルカメラのイメージセンサなど幅広いシーンで利用されています。

② フォトトランジスタ

光デバイスの基本中のきであるフォトトランジスタも知っておきましょう。

光デバイスと言うと、フォトダイオードを思い浮かべるかもしれませんが、フォトトランジスタはフォトダイオードとトランジスタを組み合わせ、「フォトカプラ」として使われることが一般的です。

と言うのも、フォトダイオードは反応速度に優れており、汎用性の高さからも非常に重宝される半導体なのですが、感度が弱く微弱な光を検出することができません。

そこで、フォトダイオードによって信号を増幅させ、感度を高めた光センサがフォトトランジスタです。

ちなみにフォトトランジスタはベース端子がなく、フォトダイオードと形状がよく似ている製品も多いので、購入時は気をつけましょう。

通常のトランジスタ同様に、p型半導体とn型半導体をサンドイッチにして用います。

ベース-エミッタ間を順バイアス、ベース-コレクタ間を逆バイアスに設計しているため、通常時は電流が流れていません。

しかし光が入射するとPN接合面で光起電力効果が生じ、内部の正孔はpへ、電子はnへと移動していきます。

ベース-エミッタ間は順バイアスで接続されているため、エミッタからベースへと電子が流れ込み、結果として電流が流れます。

さらに、トランジスタの増幅作用によって、エミッタ-コレクタ間の電流は数百倍~1000倍ほどにもなります。

つまり、フォトダイオードの微弱な光も、数百倍にして検出することを可能にしたのです。

ただし、フォトトランジスタ(フォトカプラ)は入力された信号をいったんフォトダイオードで光に変換し、そこから再び電気信号へと変換する、という手順を踏んでいます。

これは、フォトダイオードの増幅のみならず、入力側と出力側を電気的に絶縁することで、出力先の回路にノイズ等の影響を最小限とする、というメリットがあります。

しかしながら一方でどうしても構造が複雑となり、フォトダイオードに比べると応答性は劣ります。

そのため高速光通信などには使われませんが、家庭用のリモコンの受光部分など、私たちの身近でよく利用されています。

なお、フォトトランジスタとは区別されることが多いですが、MOS FETも光センサには欠かせないトランジスタ素子であり、高速スイッチングという特性から高感度・高性能センサを実現しています。

3. トランジスタの用途

トランジスタはありとあらゆるシーンで使われています。

むしろ、使われていない電子機器を見つける方が大変かもしれません。

では、トランジスタはデバイスのどの用途として用いられているのでしょうか。

繰り返しになりますが、トランジスタの代表的な特性は以下の二つです。

  • 増幅作用
  • スイッチングによる電流や電気信号のオンオフ切り替え(制御)

例えばパワー半導体。パワートランジスタ、パワーMOS FET、IGBTやサイリスタなどが挙げられますが、主に電力を変換する素子となります。

例えばお家のコンセントは交流が出てきますが、多くの電子回路は直流でしか駆動しません。

そんな時にパワー半導体を使って交流を直流に変換するのですが(逆の場合もあり)、トランジスタのスイッチング機能によって任意の波長を取り出し、かつ増幅作用によって低電力で大電力回路を駆動させることに一役買っています。

また、マイクロプロセッサやメモリといった、コンピュータには欠かせない素子にもトランジスタが利用されていますが、超小型のスイッチングを担います。

ちなみにバイポーラトランジスタとMOS FETどっちが優れているということはありません。

価格やスペックによって選ぶ、ということがほとんどです。

ただし、MOS FETは高速スイッチングが可能で比較的低電力でもスムーズに駆動するため、高集積ICなどでよく用いられます。

フォトトランジスタは、光の入射を利用して電気信号を伝送する、という特性から、ソリッドステートリレーなど非接触式のデバイスを生み出すことに長けています。

これは、機器の長寿命化や高速化に一役買ってくれますね。

なお、各種センサの存在も忘れてはいけません。特にMOS FETは、光センサ(光量センサ)に欠かせないと言えるでしょう。

例えばデジタルカメラに利用されるイメージセンサ。

これは、外部の光量に応じた電気信号を発生させ、画像データを作る撮影素子ですが、MOSFETによって成り立っています。

その他ガスセンサや放射線センサなどあらゆるセンサに搭載されてきました。

4. 使う前に知っておきたいトランジスタの見分け方とデータシートの記載事項

ここまでトランジスタの原理や仕組み、構造で種類分けしてきましたが、実際のトランジスタ製品は様々な区分けがあります。

例えば外観形状による違い。

金属ケースで覆われたキャンタイプ、プラスティックパッケージタイプ、モールドタイプなどが存在し、プラスティックはコスパよし、キャンタイプは信頼性高し。

モールドはキャンタイプに比べると信頼性はやや弱いものの、大量生産可能で低価格、といった特徴があります。

また、一般回路に用いられる小信号用途、中電力用途、大電力用途による区分け、高周波電力用途、高信頼性用途などもトランジスタを用いるうえで重要な要素となります。

とは言え、これから電子工作を作る時は、既にトランジスタがパッケージングされた部品を購入して、そのまま使う方が多いでしょう。

しかしながら、使われているトランジスタは何か?どんな電気的特性を持っているか?は理解しておき、製品選びの際にチェックすることをお勧めいたします。

① トランジスタ製品の見分け方

トランジスタは、しばしばアルファベットと数字を用いた型名で表記されることがあります。

「A1815 GR」などと言った具合です。

これは、JIS規格によって定められた半導体のリファレンスのようなもので、「どんな半導体なのか」を示します。

見方としては、「最初の三文字」が半導体の種類、次の数字がJEITA(電子情報技術産業協会)に登録されたハウスナンバー、「最後のアルファベット」が特記事項です。最後のアルファベットはない場合もあります。

それぞれを解説いたします。

トランジスタの最初の三文字は以下の通りです。

  • 2SA:PNP接合の高周波用トランジスタ
  • 2SB:PNP接合の低周波用トランジスタ
  • 2SC:NPN接合の高周波用トランジスタ
  • 2SD:NPN接合の低周波用トランジスタ

2SはトランジスタやFETを指します。

「二つのsemiconductorの接合」です。

この2Sは省略され、アルファベット一文字になることがあります。

ではこのアルファベットは何かと言うと、PN接合の種類とトランジスタの使用周波数帯域です。

AとCが高周波領域、BとDが低周波領域を表しますが、上の表記をそのまま覚えてしまった方が簡単でしょう。

ハウスナンバーはメーカーに割り当てられた番号です。

一社につき一ナンバーとなり、同スペックのトランジスタであったとしても、メーカーが異なれば数字は異なります。

この後、さらにOやYやGRなどと言ったアルファベットが付いている場合は、用途や電気的特性を表します。

ただ、これは日本固有の番号となります。他国ではその国の規格や国際規格に基づいた型番を使用しています。

また、最近では型番だけで定格などの電気的特性が判別できるよう、メーカーが独自に型番を作り、製品にナンバリングしていることも少なくありません。

② トランジスタのデータシート

トランジスタのスペックは実際の回路に合ったものを選ぶ、という観点で必須のチェック項目です。

電源電圧はどれくらい使用するのか?増幅度はどれくらい必要?どんな環境で使う?こういったことを考慮しなくてはいけませんね。

前述の通り既に他の回路や素子がパッケージングされたものを使うとしても、データシートでスペックは必ず見て確認しておきましょう。

■最大定格

いわば「リミット」のようなものにあたる最大定格。

瞬時たりとも超えてはいけない電流・電圧などの値を示します。

これを超えてしまうと、素子が瞬時に破壊されてしまう可能性もあります。

トランジスタの最大定格は、コレクタ-ベース間電圧、コレクタ-エミッタ間電圧、エミッタ-ベース間電圧、最大許容コレクタ電流、最大許容ベース電流、最大許容コレクタ損失(トランジスタ内部で電子が損失し、主に接合部で熱となってしまう現象。

効率低下のみならず、接合部の許容温度を超えてしまう可能性がある)が記載されます。

なお、どの電子素子にも言えることですが、交流電流は実際の数値よりも大きな電圧が印加されることがあります。

定格めいっぱい使うのではなく、定格の80%以下での使用を心掛けてください。

※FETの場合はドレイン、ソース、ゲートに置き換えられます。

■オン抵抗

スイッチをオンにした時、ドレイン-ソース間に発生する抵抗です。

小さいほど損失が少なく、効率良く放熱も抑えられます。

ドレイン-ソース間の電圧が大きいほど小さく、またケース温度が高くなるほど大きくなります。

なお、ドレイン-ソース間の電圧が低いものほどオン抵抗は小さくなります。

なお、この記載はMOS FETに対するものであり、バイポーラトランジスタであれば後述する飽和電圧で確認できます。

■電気的特性

その他電気的特性として、常温(25度)での電気的特性が表示されます。

最小値、標準値、最大値が記載されているので、ご自身の用途に合ったものを選択します。

また、直流電流の増幅率、そしてコレクタ-エミッタ間の飽和電圧も確認します。

飽和電圧とはバイポーラトランジスタに対するスペックです。

トランジスタがオンの時、コレクタ-エミッタ間には電位差があります。と言うのも、バイポーラトランジスタはエミッタから電流が流れている時、電圧降下を起こしてコレクタから出力する電圧とエミッタの電圧とで差が出てしまう特性を持つためです。

わずかではありますがこの電位差が残る現象を飽和電圧と呼び、結局損失となってしまうので、効率が悪く放熱対策をしっかり行わなくてはなりません。

飽和電圧は小さい方が一般的には性能が良いとされています。

また、トランジション周波数もチェックしましょう。

どれくらい高周波信号までを増幅できるか、そのリミットを表したものです。

利得帯域幅積とも言います。

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