トランジスタのスイッチング作用

質問

最近トランジスタの勉強をしていますが、トランジスタのスイッチング作用について質問があります。

*------------Vcc(12V)
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RL
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*------------Vout
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　 C
(0～5V)Vin-----R-------B　NPNトランジスタ
E
|
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o-------------*------------o

上図の回路で正の入力電圧を印加し、NPNトランジスタを飽和させてスイッチングさせます。正の入力電圧を印加しているときは、トランジスタがONし、コレクタからエミッタへ電流が流れます。また、ONしているので、入力の位相が反転して出力に現れます。ON時のコレクタ・エミッタ間電圧VCE(sat)が0.4Vとすると、コレクタの電位は0.4Vになります。

ここで質問です。
トランジスタがスイッチONの時、VBEは0.7V（動作時のVBEはおおよそこの電圧で考えるようですね。）、VCEは0.4Vとなると、コレクタよりもベース側が電位が高いことになります。コレクタから見てコレクタ→ベースはダイオードに順方向電圧がかかった状態と考えられます。
となると、ベースからコレクタに電流が流れそうですが、実際は逆にコレクタからベースを通してエミッタに流れます。ベースからコレクタに電流が流れないのはコレクタ・ベース間に0.7V程度以上の順方向電圧がかからないためなのでしょうか（コレクタ・ベース間はダイオードのようになるので）。
もしそうであるとすると、コレクタ・ベース間に0.7V程度以上の順方向電圧がかかった場合はベースからコレクタに電流が流れてしまうのでしょうか。

NPNトランジスタの2SC1815のデータシートではコレクタ･エミッタ間飽和電圧 VCE (sat) はtyp=0.1V MAX=0.25Vです。また、ベース･エミッタ間飽和電圧 VBE (sat) はMAX=1.0 Vです。VCE (sat)が0.1VでVBE (sat)が1.0V（MAX)だと0.9Vの差となるので、コレクタ・ベース間に0.7V程度以上の順方向電圧がかかることになり、ベースからコレクタに電流が流れそうです。

実際はこのような状況にならないのでしょうか。

素朴な疑問ですがトランジスタのスイッチング動作時にベースからコレクタに電流が流れない理由がわかりません。
ご教授よろしくお願いいたします。

回答No.4

noname#230359 · ベストアンサー

お問い合わせのような状態では，Ｂ→Ｃの電流は確かに存在すると思います。
＃２さんのご回答の通り，Ｂ→ＣよりもＢ→Ｅの方がおおきな電流が流れますいので，Ｂ→Ｃの電流は全ベース電流のうち僅かな成分と思います。さらに，Ｂ→Ｃに流れた電流は，圧倒的に大きなＣ→Ｅ電流（Ｂ→Ｅ電流のｈFE倍の電流）に吸収されて，実際の観測上はＢ→Ｃに流れていないように見えると考えれば納得できませんか。

お礼

回答ありがとうございます。お礼が遅れて申し訳ありません。実際には流れはある。が、コレクタ電流に打ち消されて、実測では流れていないように観測される。という考えは感覚的でシンプルで解りやすいです。もう少し原理が見えるように精進します。

回答No.3

noname#230359

確かに抵抗分圧でそういう電位差でしたら電流はBからCへ流れる事になりますが、既にコメントがあるように半導体の特性として実際にはそういう流れ方はしないそうです
（実はこの質問を見るまであまり気にしていませんでした。逆にこちらが勉強になりました）

検索サイトで色々ヒットしますから、気にいった解説を探して見るのも良いでしょう

参考URL：

http://my1.interlink.or.jp/~md0858/series4/densi0431.html

お礼

回答ありがとうございます。お礼が遅れて申し訳ありません。あれから時折調べていますが、まだスッキリとはしません。等価回路で考えるとトランジスタ内に2つの閉回路が存在するようなイメージになるようなので、そこを切り口にまた考えてみます。

回答No.2

noname#230359

ベースからコレクタへは確かに順方向ですが、順電圧が低いので実質的に
流れないと思って結構です。もしコレクタとエミッタを直接接続したら
（もはやトランジスタではなくダイオードアレー）BからCへ流れます。

BからEの順方向電圧とは0.4Vしか違いませんが、極大雑把に言って、
トランジスタの順方向電圧が18mV変わると電流は倍/半分になります。
0.4Vの違いがあると順電流は約500万分の１もの違いになります。
差が0.1Vだとしても約1/50しか流れません。

厳密にはB～EとB～Cは同じ特性ではありません。内部構造が対象ではない
ものがほとんどなので、正確な議論をするには具体的なデータが必要です。

この非対称性を利用して、エミッタとコレクタを逆に使ったスイッチという
ものも存在します。逆接続hFEがある程度あるトランジスタでは逆につなぐと
VCE(sat)を10mV程度以下に下げることができます。（ちょっと初心者には
マニアック過ぎるテクニックですが、そのような使用方法が実際にある
ということは説得力があると思って紹介しました）

＞VBE (sat) はMAX=1.0 Vです。VCE (sat)が0.1VでVBE (sat)が1.0V（MAX)
＞だと0.9Vの差・・・

これは同時に取りうる値かどうか確かではなく、また、このような「保証値」
は時として、検査装置の都合で決められていることが多いので、この
値を使って計算するのは避けた方が良いです。

仮にVBEが1Vあったとしても、そのような低温の状況ではVBE差0.9Vでは
あまり流れないかもしれません。

お礼

回答ありがとうございます。お礼が遅れて申し訳ありません。
あれから時折調べていましたが、まだスッキリしません。確かに様々な特性
値は同時に同じ条件で測定した値ではないと思うので、「計算するのは避け
た方が良いです。」というのは頷けます。今後も少しずつ明確になるよう精進します。

回答No.1

noname#230359

毎度ＪＯです。
トランジスタはスイツチングしてるので「飽和領域」で動作しています、
ベースからの電流はエミッタに流れますが、この時コレクタの電圧に依存しません、これは、スイッチングばかりで無く、Ａ級増幅の場合も同じです。
NPN型のトランジスタは、ベース電流はエミッタに・コレクタ電流はエミッタに各々流れます。
前回の投稿で、トランジスタを勉強中との事、分らない事は取りあえず検索してみましょう、検索方法によっては的確な情報が得られます、
バイポーラトランジスタに関する専門書などを購入し読破してみられてはいかがでしょうか？

下記参照ＵＲＬ

参考URL：

http://ocw.osaka-u.ac.jp/contents/23/quantum_devices_02.pdf

お礼

アドバイスありがとうございます。お礼遅れましたが、あれから時折調べています。参考資料拝見させていただきましたが、未だスッキリしません。今後も地道に調べてみます。