バイポーラトランジスタ

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代表的な小信号用バイポーラトランジスタ2SC1815

バイポーラトランジスタ（英 : Bipolar transistor または Bipolar junction transistor ; BJT ）は 接合型トランジスタとも呼ばれるトランジスタの一種である。N型とP型の半導体がP-N-PまたはN-P-Nの接合構造を持つ3端子の半導体で、電流増幅/スイッチング機能を持つ。電界効果トランジスタ（ユニポーラトランジスタ）と異なり、キャリアを2種類もつためバイポーラと呼ばれる（ユニ : 1、バイ : 2）。最初に発明されたトランジスタがバイポーラトランジスタであったため、単にトランジスタと言えば、バイポーラトランジスタを指すことが多い。

[編集] 特徴

小さなベース電流に対して、その数十から数百倍のコレクタ電流が流れる。この性質を用いて増幅作用を行う。 コレクタ電流はコレクタ電圧が変動してもほぼ一定に保たれる（定電流特性）。 ベース-エミッタ間はダイオードと同じ構造であるため、ベース電流を流すためには、ベース電圧をエミッタ電圧より0.6 - 0.7ボルト（NPN型シリコントランジスタの場合）高く保つ必要がある。この電圧差をスイッチング動作に利用することも多い。

電界効果トランジスタ (FET) と比べると、一般に増幅率が大きい。しかし動作はすべて電流モード（入力電流に対して出力電流を得る）であるため、全体として動作時に消費する電力量が大きくなる。このため、大電力を扱う際には、電圧モード（入力電圧に対して出力電流もしくは出力電圧を得る）の電界効果型デバイス（真空管やFETなど）に比べると不利である。微小信号の増幅についても、トランジスタを動作させるだけの電流が得られなければ増幅機能は果たせないということになる。

スイッチング素子としては、ダイオード接合に電流を流す構造特有の少数キャリア蓄積効果のため、本質的に動作速度の限界があるが、スイッチのON/OFF制御信号として電流さえ流せれば電圧は接合部飽和電圧（一般的なシリコントランジスタで上記0.6 - 0.7V）しか必要としないため、電圧に制約のある用途では扱いやすいと言える。

ともあれ、極端な大電力や高周波などを除けば、高い増幅率や優れた量産適性で非常に廉価に入手できることから、民生・産業・航空宇宙・防衛の全ての分野で幅広く利用されている電子デバイスである。

[編集] 種類

[編集] PNPとNPN

PNPトランジスタ

NPNトランジスタ

3つある端子はそれぞれエミッタ (E) ・ベース (B) ・コレクタ (C) と呼ばれる。PNPまたはNPNの3層構造の中央がベースである。E,B,C端子は真空管のカソード・グリッド・プレート、電界効果トランジスタ (FET) のソース・ゲート・ドレインに対応している。

それぞれの端子に使われている半導体の特性から、他のトランジスタ同様 NPN と PNP で分けることができる。NPN型とはN型半導体-P型半導体-N型半導体の順に、PNP型とはP型半導体-N型半導体-P型半導体の順に接合（PN接合）したものである。構造上は対称形であるが、実際にはエミッタ側の半導体の不純物濃度を高くしなければ正常な動作ができない。

ゲルマニウムを用いた初期（1970年代まで）のトランジスタは、製造が簡単であることから、PNPトランジスタが多く作られた。シリコントランジスタが主流になってからは、一般的に動作が高速で、増幅率、耐電力などの特性に優れたNPNトランジスタが用いられることが多い。回路の都合上、特性が等しい NPN と PNP の一組（例 : 2SC1815・2SA1015）を必要とすることがあり、コンプリメンタリ・ペアと呼ばれる。

[編集] 製法による分類

物理構造や製造手法により、点接触型、合金接合型、成長型、メサ型、プレーナー型などに分類される。現在ではプレーナー型トランジスタが主流である。点接触型はバイポーラトランジスタの発明当初のみ利用された形式である。

[編集] 型番の命名規則

[編集] 日本

日本では、1960年のJIS制定以降、一般的に次のような型番が付けられている。（xxxは11からの追番）

• 2SAxxx PNP型高周波用
• 2SBxxx PNP型低周波用
• 2SCxxx NPN型高周波用
• 2SDxxx NPN型低周波用

高周波用、低周波用とは製造メーカが任意に分類しているものであって、明確な基準はない。従って、低周波回路に高周波用と分類される素子を使うことも多い。型番としては、2SCで始まるものが、6000番台まで作られている（2007年現在）。最近の傾向として、JIS型番を使わないメーカ独自型番のものが増えている。

[編集] 海外

[編集] 定格

電気的条件を示す項目として、次のような項目が主に用いられる。

h_FE（直流電流増幅率）

エミッタ接地増幅回路におけるベース電流に対するコレクタ電流の比率。一般にコレクタ電流がある値で最大となり、それ以上のコレクタ電流では低下する。同じ型番でも個々の製品ごとの差が大きいため、増幅率の値を示すランクが付けられていることが多い。一般的には50 - 200程度。ゲルマニウムトランジスタでは漏れ電流が大きく、直流での正確な増幅率を測定することが困難なため、交流信号に対する増幅率h_feで表記されることがある。増幅回路における電圧増幅度は負荷抵抗によって決まるため、h_FEの大きなトランジスタを用いれば増幅度が大きくなるとは限らない。ただし、h_FEの大きなトランジスタを小電流で動作させると高い入力インピーダンスが得られ、雑音も少なくなるため、オーディオ用アンプなどではh_FEが高く低雑音のトランジスタが多用される。

f_T（遮断周波数、トランジション周波数）

増幅率が1になる周波数。使用する周波数に対して十分に余裕を見て選定する。

電気的条件の許容値（最大定格）が定められており、これを超えて使用してはならない。最大定格として主に次のような項目が用いられる。

V_CEO（最大コレクタ電圧）

ベースを開放した場合に、エミッタとコレクタ間に加えられる最大の電圧。これを超えると接合部がなだれ降伏を起こし破壊される。使用できる電源電圧の基準にすることが多い。エミッタを開放した場合にベースに加えられる最大電圧はV_CBOと表記され、V_CEOより若干大きな値となる。

I_C（最大コレクタ電流）

コレクタに連続的に流すことができる電流、もしくは実用に耐えうる増幅率が得られる最大のコレクタ電流。

P_C（最大コレクタ損失）

トランジスタ内部で許容される最大の電力損失。周囲温度は25℃を基準としているため、それより高温の場合は値が低下する。中・大型の品種は、規定の放熱器を取り付けた場合の値で示されており、それより小さな放熱器を用いる場合には値が低下する。最大コレクタ電圧と最大コレクタ電流を同時に加えると最大コレクタ損失を大きく超えるので注意を要する。

バイポーラトランジスタは非常に種類が多く（約10,000種類）、指定された型番の製品が入手できないことがある。その場合は、定格値が近い製品を代替品として用いれば事が足りることが多い。代替品種を示した専用の規格表もある。

[編集] ダーリントン接続

2個のトランジスタを、コレクタを並列に接続、第1トランジスタのエミッタを第2トランジスタのベースに接続して、1個のトランジスタと同じように扱う方式をダーリントン接続という。電流増幅率はそれぞれのトランジスタ電流増幅率の積となる。つまり、小さなベース電流で非常に大きなコレクタ電流を制御することが可能となる。

トランジスタが発明された初期の頃は、PNP型の大型トランジスタを作ることが困難であったため、PNPの小型トランジスタとNPNの大型トランジスタをダーリントン接続として、全体としてPNP型と同じ動作をさせることが行われた。PNP型の大型トランジスタが出現してからは、個別部品でこのような接続をする必要は無くなったが、集積回路の内部では増幅率の大きなPNP型トランジスタを作ることが困難であるため、この方式が用いられている。

ダーリントン接続したトランジスタを1個のパッケージに収めた品種もある。型番の命名規則は単体のトランジスタと全く同じであるため、ダーリントン接続であるかは規格表を見なければ分からない。

[編集] 使用上の注意

中・大型のトランジスタで金属製のパッケージに収められている品種は、電極端子以外の金属部分は原則としてコレクタ（一部の高周波電力増幅用はエミッタ）に接続されている。そのため、放熱器・放熱板を取り付ける場合には、それらとの絶縁を必要とする場合がある。

[編集] 応用

エミッタ接地回路、ベース接地回路、コレクタ接地回路など、用途に応じて使い分けられる。通常、電圧増幅率、電流増幅率ともによいエミッタ接地回路が用いられる。詳しくは増幅回路の項目参照。

発振回路においては、接続方法によりいくつかの種類がある。

[編集] 関連項目

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• 増幅回路