トランジスタの特性について

質問

ＮＰＮ型トランジスタについての質問ですが、トランジスタは増幅作用というのを持っていますが、
これはベースに流れる電流とコレクタ・エミッタ間に流れる電流がトランジスタの内部で
合わさる（合流するため）増幅したように感じるのでしょうか？

それから、ベースとエミッタ間にかかる電圧は一定で０．７Ｖくらい？らしいですが、
それはなぜでしょうか？

最後に、コレクタ・エミッタ間にかかる電圧をあげることによって、電流も多く流れますが、
エミッタ接地電流増幅率も大きくなります。
これはなぜでしょうか？
ちなみに、これはコレクタ・エミッタ間にかかる電圧をどんどん上げていって、
ある値を越えてからは電流増幅率は一定の値に収束するのでしょうか？

回答No.1

sailor · ベストアンサー

増幅作用についてはベース電流が合わさるためではありません。ベース電流が０の状態ではコレクタ・エミッタ間は絶縁状態にありますが。ベース電流が流れ出すとコレクタ・エミッタ間の見かけ上の電気抵抗がベース電流にほぼ反比例する形で小さくなっていきます。このためコレクタ・エミッタ間の電流が増加するのです。例えばベース電流1ｍＡでコレクタ・エミッタ間の電流が１００ｍＡ流れている電流増幅率100のトランジスタを使った回路で、ベース電流を２ｍＡに増やすとコレクタ・エミッタ間の電流は２００ｍＡになるというような具合です。どう計算しても足し合わせたものとは違いますよね。

ベース・エミッタ間の電圧については。ＮＰＮの三層構造を分解してみると、ベース・エミッタ間はダイオードと同じＰＮの構造になっているので、この間だけを見るとダイオードの順方向電圧降下と同じと考えられます。従ってシリコンダイオードなどと同じ０．６Ｖ～０．７Ｖで一定になります。

トランジスターという言葉の語源ですが、トランス（変換）とレジスター（抵抗器）を合わせた造語で、トランス・レジスター。和訳するなら抵抗変換素子というような意味です。ベースに流す電流でエミッタ・コレクタ間の抵抗値を変化させられる素子という意味です。

回答No.3

tadys

バイポーラトランジスタの増幅作用を理解するにはベース接地で考えるのが良いです。

ベース（接地）に対してエミッタは順方向に、コレクタは逆方向にバイアス電圧をかけます。
エミッタに電流を流さないときは、逆バイアスのコレクタには電流が流れません。
エミッタに順バイアスを掛けるとエミッタからベースに電気のキャリヤ（NPN型の場合は電子）が注入されます。
ベースに注入されたキャリヤはベースの中を移動しますがその内でコレクタに到達したものはコレクタの逆バイアス電圧にひかれてコレクタへ流れ込み、コレクタ電流となります。
コレクタに到達できなかったものはベース電流となります。
トランジスタではエミッタとコレクタの距離が極めて近いので大部分のキャリヤはコレクタに到達します。
つまり、ベース電流＜＜コレクタ電流となる様にエミッタとコレクタの距離を設定するのです。
http://fhirose.yz.yamagata-u.ac.jp/text/pn3.pdf

＞電圧は一定で０．７Ｖ
これは「バンド構造理論」で説明されます。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%90%E3%83%B3%E3%83%89%E3%82%AE%E3%83%A3%E3%83%83%E3%83%97
http://fhirose.yz.yamagata-u.ac.jp/text/pn3.pdf
シリコンの場合、バンド構造から分かるバンドギャップは約0.7Vになります。
半導体の種類が変わるとこのバンドギャップは変わります。
半導体はそれぞれそのバンドギャップに相当する電圧を持っているという見方も出来ますが、その電圧で発電が出来るとか、電子が飛び出すとかいう事は有りません。

＞コレクタ・エミッタ間にかかる電圧をあげることによって、電流も多く流れますが
これは「アーリー効果」と呼ばれています。
http://analog-engineer.cocolog-nifty.com/blog/2007/02/post_cdce.html
これはコレクタ電圧をあげることで実質的なベース層の厚さが薄くなることが原因です。
（ベース層が薄いとより多くのキャリヤがコレクタに到達する）
電圧を上げすぎるとベース層の厚さがゼロとなり、エミッタとコレクタがショートした状態になりトランジスタとしての機能が失われる。
これを「パンチスルー」と呼んでいる。

回答No.2

Executione

トランジスタの増幅をイメージするのは、難しい気がしますね。
本やネットでも色々書いてありますが、どうも納得できないですね。

さて、エミッタ接地でNPN形トランジスタは、どんなことが起こっているのかを簡単に述べて、増幅のイメージをつかんでみようと思います。
まず、各電圧を加えて、何から起こるかというと、大量に自由電子を持っているエミッタが出発地点です。ここは、自由電子がとても多くいるので、ほっといても濃度の違いで、電子の少ないベースに拡散しようと移動していきます。しかし、さらにベースに電圧が加わっているので、さらに速度を速めて移動していきます。

ここで、この大量の自由電子たちは、本当はみんなベースに行きたいと願っていました。
これは、ダイオードの順方向とまったく同じで、大量の電子がカソードからアノードへ行きたいと願う気持ちと同じです。トランジスタの電子もそうなることを夢見ておりました。

ところが近づいてびっくりです。
なんとベースの幅が狭かったのです。電子たちは勢い余ってコレクタに転がり落ちてしまったのです。
ベースにたどり着けたのは、ほんのちょっと。大部分の電子は、コレクタに行ってしまいました。
コレクタには、プラスの電圧が待ち構えていました。
マイナスの電子たちは、まんまとコレクターに吸い込まれてしまいました。

そこで、ベースは考えました。
もっと電圧を高くして、俺のほうに引き寄せてやろう。
さらに大量に増えたエミッタの電子が移動し始めました。
ところが、ベースにたどり着けたのは、さっきよりちょっと増えただけで、大部分はコレクターに行ってしまいました。

こんなことが起こっているわけですが、これのどこが増幅なんでしょうか。
これは、結果を見ると、ベースをちょっと増やしたら、コレクタ電流も増えたことになりました。しかもコレクタ電流は、ベースよりも100倍も200倍も大きく増えました。
逆に、ベース電流をちょっと減らすと、コレクタ電流は大きく減ります。
このベースとコレクタが連動して増減しているので、あたかもベース電流が増幅してコレクタ電流になっているように思えるのです。

＞それから、ベースとエミッタ間にかかる電圧は一定で０．７Ｖくらい？らしいですが、
それはなぜでしょうか？

これは簡単に言うと、0.7Vを立ち上がり電圧Vrとすれば、次の式で求められます。
Vr = Vt*log( 0.5*Vt/Is )

Vt：熱電圧　約0.026V
Is：リーク電流

＞最後に、コレクタ・エミッタ間にかかる電圧をあげることによって、電流も多く流れますが、
エミッタ接地電流増幅率も大きくなります。
これはなぜでしょうか？

これは、何を言っているのかよく分かりません。
電圧Vceをあげて、あがる電流は飽和領域のコレクタ電流でしょうか？それとも、ほとんど変わらない活性領域のコレクタ電流でしょうか？
どちらだったとしても、
「エミッタ接地電流増幅率も大きくなります」
この関係がよく分かりません。

たとえば、添付図のどの部分を言ってますか？