トランジスタ - トランジスタの種類と特徴

概要

トランジスタは、バイポーラトランジスタ(BJT)、電界効果トランジスタ(FET)、絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)の3つの種類がある。

バイポーラトランジスタ(BJT)は、NPN型とPNP型に分類される。
電界効果トランジスタ(FET)は、接合型FET(JFET)と金属酸化膜半導体FET(MOSFET)に分類される。
接合型FET(JFET)は、Nチャネル型とPチャネル型に分類される。
金属酸化膜半導体FET(MOSFET)は、エンハンスメント形とデプレッション形があり、それぞれ、Nチャネル型とPチャネル型に分類される。
絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)は、Nチャネル型とPチャネル型に分類される。

トランジスタの種類を下図に示す。

※補足
バイポーラトランジスタには、派生型として抵抗を内臓した抵抗内蔵型トランジスタ(デジタルトランジスタ)というものが存在する。

バイポーラトランジスタ(BJT)、MOSFET、IGBTの特徴

バイポーラトランジスタ(BJT)、金属酸化膜半導体FET(MOSFET)、絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)の特徴を下図に示す。

バイポーラトランジスタ(BJT)は、電流駆動であるが、金属酸化膜半導体FET(MOSFET)、絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)は電圧駆動である。
また、スイッチング速度は、バイポーラトランジスタ(BJT)が低速、金属酸化膜半導体FET(MOSFET)は高速である。
絶縁ゲートトランジスタ(IGBT)は比較的に高速であるが、MOSFETよりも劣っており、これがIGBTの欠点となっている。

バイポーラトランジスタ(BJT)

バイポーラトランジスタ(BJT)とは

バイポーラトランジスタ(BJT)はNPN型とPNP型の2種類ある。
N形半導体とP形半導体をNPNの順番に接合したものがNPN型、PNPの順番に接合したものがPNP型となる。

バイポーラトランジスタは電流制御素子である。
ベース端子に流れるベース電流I_Bによって、コレクタ-エミッタ間に流れるコレクタ電流I_Cを制御する。

※補足
電子の移動度は正孔の移動度よりも大きいため、一般的に、NPNトランジスタの方が多く使用されている。

NPNトランジスタ

NPNトランジスタは2つのN型半導体で構成され、P型半導体の薄層によって分離されているバイポーラトランジスタである。

ベース端子にベース電流I_Bが流れると、コレクタからエミッタに大きなコレクタ電流I_Cが流れる。
また、NPNトランジスタの多数キャリアは電子であり、少数キャリアは正孔となる。

NPNトランジスタの動作原理

1. エミッタに対してベースに正電圧を印加すると、ベースとエミッタのPN接合に順電圧が加わり、ベースからエミッタに向かってベース電流I_Bが流れる。
   (ベースに電流が流れるということは、電子がエミッタからベースに向かって移動する)
2. しかし、P型半導体の部分は構造的に薄く作られているので、P型半導体に流入してきた電子の多くがコレクタに抜け出す。
3. その後、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEによって電子が誘導されてコレクタ方向に移動する。
   (電子がコレクタ方向に移動するということは、コレクタからエミッタに向かってコレクタ電流I_Cが流れる)

PNPトランジスタ

PNPトランジスタは2つのP型半導体で構成され、N型半導体の薄層によって分離されているバイポーラトランジスタである。

ベース端子にベース電流I_Bが流れると、エミッタからコレクタに大きなコレクタ電流I_Cが流れる。
また、PNPトランジスタの多数キャリアは正孔であり、少数キャリアは電子となる。

PNPトランジスタの動作原理については、NPNトランジスタの動作原理と同様に考えればよいため省略する。

抵抗内蔵型トランジスタ

バイポーラトランジスタの派生として、抵抗を内臓した抵抗内蔵型トランジスタ(Bias Resistor Built-in Transistor：BRT)がある。
抵抗内蔵型トランジスタは、デジタルトランジスタ(デジトラ)と呼ばれることもある。

デジタルトランジスタではベース抵抗R_Bのことを入力抵抗R₁、ベース-エミッタ間の抵抗R_BEのことを入力抵抗R₂と表す。

バイポーラトランジスタをスイッチ用途として使用する場合、ベース抵抗R_Bとベース-エミッタ間の抵抗R_BEを接続して、
入力電圧V_INをHighまたはLowと切り替えることで、バイポーラトランジスタをON/OFF制御する。
デジタルトランジスタには、このベース抵抗R_Bとベースエミッタ間の抵抗R_BEが内蔵されているので、入力電圧V_INを印可するだけで、ON/OFF制御することができる。

入力抵抗R₁とR₂の抵抗比率(R₂/R₁)により、トランジスタが動作する電圧(入力オン電圧)とトランジスタがオフする電圧(入力オフ電圧)を変えることができる。

バイポーラトランジスタに抵抗を内蔵しているため、主に以下の5つのメリットがある。

• 実装面積の削減
• 実装時間の削減
• 実装費の削減
• 部品点数の削減
• トランジスタ単体コストの削減

デジタルトランジスタは、大きく分けて4種類ある。
また、入力抵抗(ベース-エミッタ間の抵抗)R₂が接続されているものと接続されていないものが存在する。

電界効果トランジスタ(FET)

電界効果トランジスタ(FET)には、接合型FET(JFET)と金属酸化膜半導体FET(MOSFET)の2種類ある。

電界効果トランジスタ(FET)にはゲート、ドレイン、ソースの3つの端子がある。
また、電界効果トランジスタ(FET)は電圧制御素子である。
ゲートの印加電圧によって、ドレイン-ソース間に流れるドレイン電流I_Dを制御する。

接合型FET(JFET)

接合型FET(JFET)とは

接合型FET(JFET)には、Nチャネル型とPチャネル型の2種類ある。
Nチャネル型は、ドレインとソースがN型半導体、ゲートがP型半導体、
Pチャネル型は、ドレインとソースがP型半導体、ゲートがN型半導体となっている。

接合型FET(JFET)には、ゲート、ドレイン、ソースの3つの端子がある。

※補足
接合型FET(JFET)は、Junction Field Effect Transistorの略である。

Nチャネル型JFET

Nチャネル型JFETとは、N型半導体がドレインとソースに接続されており、P型半導体がゲートに接続されている接合型FET(JFET)である。

ゲート端子に電圧を印加していない状態では、ドレインからソースに電流が流れるが、
ソースに対してゲート端子に負電圧を印加すると、ドレインからソースにドレイン電流I_Dが流れなくなる。

Nチャネル型JFETの動作原理

• ゲート端子に電圧が印加されていない状態

  ドレイン-ソース間電圧V_DSを印加すると、N型半導体の電子がドレイン側に移動する。

  すなわち、ドレインからソースにドレイン電流I_Dが流れる。

• ソースに対してゲート端子に負電圧を印加している状態

  P型半導体の正孔がゲート側に引き寄せられ、P型半導体とN型半導体の間には空乏層ができる。

  この空乏層は、ゲートにかかる電圧によって変化して、空乏層が大きくなるとN型半導体の電子がドレイン側に移動できなくなり、ドレイン電流I_Dが流れなくなる。

Pチャネル型JFET

Pチャネル型JFETとは、P型半導体がドレインとソースに接続されており、N型半導体がゲートに接続されている接合型FET(JFET)である。

ゲート端子に電圧を印加していない状態では、ソースからドレインに電流が流れるが、
ソースに対してゲート端子に正電圧を印加すると、ソースからドレインにドレイン電流I_Dが流れなくなる。

Pチャネル型JFETの動作原理については、Nチャネル型JFETの動作原理と同様に考えればよいため省略する。

金属酸化膜半導体FET(MOSFET)

金属酸化膜半導体FET(MOSFET)とは

金属酸化膜半導体FET(MOSFET)には、Nチャネル型とPチャネル型の2種類ある。
Nチャネル型はソースとドレインの間にNチャネル領域を有しており、Pチャネル型はソースとドレインの間にPチャネル領域を有している。

金属酸化膜半導体FET(MOSFET)には、ゲート、ドレイン、ソースの3つの端子がある。
また、金属酸化膜半導体FET(MOSFET)には、エンハンスメント形とデプレッション形がある。

※補足
金属酸化膜半導体FET(MOSFET)は、Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistorの略である。

Nチャネル型の方が性能も良く、回路的にも使用しやすいので、市場で使用されるMOSFETの大半がNチャネル型となっている。

MOSFETのデータシートには、オン抵抗というパラメータがある。
このオン抵抗は、特に大電力を扱う場合に重要な特性になるが、バイポーラトランジスタ(BJT)には、オン抵抗のパラメータは無い。
バイポーラトランジスタのオン抵抗にあたるのは、コレクタ飽和電圧V_CE(sat)となる。

コレクタ飽和電圧V_CE(sat)とは、トランジスタが動作している時において、既定のコレクタ電流I_Cが流れた時の電圧降下であり、
コレクタ電流I_Cと電圧降下からバイポーラトランジスタ(BJT)のオン抵抗を求めることができる。

エンハンスメント形とデプレッション形の違い

• エンハンスメント形

  ゲートとソースの電圧が等しい時に、ドレイン電流I_Dが流れないものである。

  回路記号は下図の赤丸で示したように少し隙間がある。

  
  

• デプレッション形

  ゲートとソースの電圧が等しい時に、ドレイン電流I_Dが流れるものである。

  回路記号は、エンハンスメント形にあった隙間がない。

Nチャネル型MOSFET(エンハンスメント形)

Nチャネル型MOSFETは、ドレインとソースの間にNチャネル領域を有している金属酸化膜半導体FET(MOSFET)である。

ソースに対してゲート端子に正電圧を印加すると、ドレインからソースにドレイン電流I_Dが流れるようになる。

Nチャネル型MOSFET(エンハンスメント形)の動作原理

• ゲート-ソース間に電圧が印加されていない状態

  ドレイン-ソース間電圧V_DSを印加しても、ドレインとソースの間はNPN構造となっているため、ドレインからソースにドレイン電流I_Dが流れない。

  
  

• ソースに対してゲート端子に正電圧を印加している状態

  ゲートの絶縁膜直下にP型半導体内の電子が引き寄せられ、電子よるNチャネル領域が形成される。

  その結果、ドレイン-ソース間はN型半導体のみになり、N型半導体内の電子が移動できるようになり、ドレインからソースにドレイン電流I_Dが流れる。