電子回路Ⅰ　第２回(2007/10/22)

バイポーラトランジスタの動作原理

今日の内容 半導体とは ドーピング キャリアの運動（電流） pn 接合 pn 接合ダイオードの動作原理 バイポーラトランジスタの動作原理 バイポーラトランジスタの直流動作

半導体とは

固体を電気を流す、流さないで分類 金属　電気を良く流す（自由電子）

アルミニウム (Al), 銅 (Cu), 金 (Au), ・・・ ニクロム (NiCr), ステンレス (FeCrNi), ・・・

半導体　流すときと流さないときがあるシリコン ( ケイ素 ,Si), ガリウム砒素 (GaAs),

・・・ 絶縁体　電気を流さない

ガラス (SiO2), その他多くの物質

固体中の電子（絶対ゼロ度）

エネ

ルギ

ー 価電子帯

禁制帯

伝導帯

•Si の最外殻電子数（価電子数）は４つ•安定な結合になるためには 4 つの Si原子と電子のやり取りをする•結合に使われている電子は動けない

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

固体中の電子（室温）

価電子帯

禁制帯

伝導帯

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

自由電子

( 負の電荷を運ぶ )

正孔

( 正の電荷を運ぶ )

•熱によって結合が切れ、自由電子が発生•隣の結合の電子が移動することによって、切れた結合も移動できる（正孔：電子の抜け穴）•自由電子と正孔は電荷を運ぶ 電気を流すことができる•自由電子と正孔の密度は温度とともに増加

pn

金属、半導体、絶縁体の違い

価電子帯

伝導帯

価電子帯

禁制帯

伝導帯

価電子帯

禁制帯

伝導帯

金属伝導帯に電子が多数存在

電流は流れる

半導体禁制帯の幅が狭い

電流はそこそこ流れる

絶縁体禁制帯の幅が広い

電流はほとんど流れない

禁制帯

半導体へのドーピング (n 型 ) IV 族元素の Si に V 族の P をわずかに添加

Si

Si

Si

Si

P

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

結合に寄与しない電子

周りの原子との結合には電子は４つで十分

電子が１つあまる

容易に自由電子となる

•電子を供給する (donate) する元素のことをドナー (donor) という•ドナーがドーピングされた半導体は、正孔よりも自由電子の密度が高い•n 型半導体（単体では電気的に中性）

nnd pnN

ドナーイオン（ + ）

半導体へのドーピング (p 型 ) IV 族元素の Si に III 族の Al をわずかに添加

Si

Si

Si

Si

Al

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

電子の受け入れ場所

周りの原子との結合には電子が４つ必要

電子が１つ足りない

容易に正孔となる

•電子を受け入れる (accept) する元素のことをアクセプタ (acceptor) という•アクセプタがドーピングされた半導体は、自由電子よりも正孔の密度が高い•p 型半導体（単体では電気的に中性）

app Npn

アクセプタイオン（ - ）

キャリア密度の温度依存性

温度上昇によって生成されるキャリア密度が増加する

1017

1016

1015

不純物

ドーピングしないとき（真性半導体）

ドーピングしたとき（外因性半導体）

ドーピングの密度で制御できる

キャリア (carrier) = 自由電子 または 正孔

ドリフト（電界から力を受けて動く、電気的な運動）

拡散（密度むらがあると、密度が均一になるように動く、電気に関係のない運動）

固体中のキャリアの運動

Eqnqnvj

Ev

電流密度移動度 速度 :

dx

xdnqDqJj

Ddx

xdnDJ

)(

:)(

電流密度

拡散定数 キャリアの流れ

固体中では、電子と正孔が、それぞれドリフトと拡散によって運動する

x

)(xn

dx

xn )(

pn 接合（空乏層の発生）

電位

位置

空乏層（空間電荷層）

接合直前p n

接合直後

拡散によりキャリアが移動する

接合後 ドナーイオン

アクセプタイオン

pn 接合の電流

電位

p （アノード）

n （カソード）

p に +, n に－（順バイアス）

電位

p n

正孔と電子は接合を超えられる

電流が流れる

p に－ , n に + （逆バイアス）

電位

p n

正孔と電子は接合を超えない

電流が流れない

電位の障壁

pn 接合ダイオードの I-V 特性

1/exp0 kTqVII

絶対温度 ボルツマン定数

素電荷

逆方向飽和電流

:

)J/K 1038.1(:

)C 106.1(:

:

23

19

0

T

k

q

I

立ち上がりはゼロボルトではない

バイポーラトランジスタの構造 pnp 型と npn 型

p pn n np

エミッタ

ベース

コレクタ

エミッタ

ベース

コレクタ

２つの pn 接合ダイオードを直列に並べた構造

（実際はダイオードを上図のように配線してもトランジスタとしての動作はしない）

E

C

B

E

C

B

トランジスタの写真

エミッタ

コレクタ

ベース

コレクタ

ベース エミッタ

トランジスタの型番名称 種別 用途2SA

pnp高周波、スイッチング用

2SB 低周波2SC

npn高周波、スイッチング用

2SD 低周波用、電力増幅用2 S B 1815 A

トランジスタを意味す

る半導体を意味する

用途 登録番号

改良型を意味する

トランジスタの特性表

各社のホームページからダウンロードできる

2SC1815の特性表

トランジスタのバイアス (pnp)

BEV

p pn

エミッタ

ベース コレクタ

CBV

順バイアス 逆バイアス

トランジスタの動作原理

p pn

電位

拡散 加速（ドリフト）

再結合

一部再結合

ベース幅が短いことが重要

トランジスタを流れる電流

1)( EC II

)1 1,( に近い限りなく EC II

1)( EC II

cBE III

（理想的にはゼロ）

接地方式

ベース接地E C

BVBE VCB

IE IC

IBRL

エミッタ接地

E

CB

RL

IE

IB

IC

VCEVBE

ベース接地電流増幅率　E C

BVBE VCB

入力 IE 出力 IC

IBRL

EC II cBE III

1 ～ より cB II

E

CB

RL

IE

入力 IB

出力 IC

VCEVBE

エミッタ接地電流増幅率 (hFE)

で表しなさいを

率エミッタ接地電流増幅 を消去し、より、

B

C

E

I

I

I

EC II cBE III

しなさいはいくらになるか計算のとき、 99.0

まとめ トランジスタのタイプ　　 npn と pnp VBEは順バイアス、 VCBは逆バイアス VBEは 0.6V 以上必要 ベース接地電流増幅率　（ 1 より少し小

さい） エミッタ接地電流増幅率　

1FEh