トランジスタ - トランジスタの特性

概要

ここでは、以下に示すトランジスタの特性について記載する。

• 出力特性(I_C-V_CE特性)と飽和領域、活性領域、遮断領域
• 入力特性(I_B-V_BE特性)
• I_C-V_BE特性
• 電流伝達特性(I_C-I_B特性)
• h_FE-I_C特性

出力特性(I_C-V_CE特性)

出力特性(I_C-V_CE特性)とは

トランジスタの出力特性(I_C-V_CE特性)とは、エミッタ接地トランジスタの静特性において、
あるベース電流I_Bを流している状態で、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEとコレクタ電流I_Cの関係を表した特性のことである。

コレクタ-エミッタ間電圧V_CEがある一定値を超えるまでは、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEが増加するとコレクタ電流I_Cが増加するが、
コレクタ-エミッタ間電圧V_CEがある一定値を超えると、コレクタ電流I_Cはコレクタ-エミッタ間電圧V_CEによらず、ベース電流I_Bに依存する値となる。

トランジスタの飽和領域、活性領域、遮断領域について

トランジスタの出力特性(I_C-V_CE特性)には、3つの領域(飽和領域、活性領域、遮断領域)がある。

トランジスタをスイッチとして使用する場合は、飽和領域(スイッチがオンの状態)と遮断領域(スイッチがオフの状態)を利用する。
トランジスタをアンプとして使用する場合は、活性領域を利用する。

次に、3つの領域(飽和領域、活性領域、遮断領域)について順番に記載する。

飽和領域

飽和領域とは、ベース電流I_Bを大きくしてもコレクタ電流I_Cが増加しない領域であり、出力特性(I_C-V_CE特性)の青色の箇所となる。
出力特性(I_C-V_CE特性)の見方によって様々な説明方法があるため、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEが小さくてもコレクタ電流I_Cが流れる領域と説明している専門書も存在する。

トランジスタをスイッチとして使用する場合、スイッチをオン状態にするためには、ベース電流を多く流してコレクタ-エミッタ間電圧V_CEが最小電圧となる箇所を使用する。
(この最小電圧のことをコレクタ飽和電圧V_CE(sat)と呼び、コレクタ飽和電圧V_CE(sat)はデータシートに記載されている)
これは、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEを小さくすることで、オン状態における損失($P_{LOSS}=V_{CE}\times I_{C}$)が小さくなるからである。

活性領域

活性領域とは、ベース電流I_Bが一定ならコレクタ-エミッタ間電圧V_CEによらずコレクタ電流I_Cが一定となる領域であり、出力特性(I_C-V_CE特性)の赤色の箇所となる。
つまり、活性領域では、コレクタ電流I_Cはコレクタ-エミッタ間電圧V_CEではなく、ベース電流I_Bで決まる。

トランジスタをアンプとして使用する場合、この活性領域を利用する。
また、活性領域では、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEによらずコレクタ電流I_Cが一定となるため、一定の電流を流す電流源としても利用される。

出力特性(I_C-V_CE特性)の傾きがコレクタ抵抗R_Cとなる。
コレクタ抵抗R_Cは、下式で表される。
$R_{C}={\frac {\Delta V_{CE}}{\Delta I_{C}}}$

コレクタ-エミッタ間電圧V_CEを大きくしてもコレクタ電流I_Cは大きく変化しないことから、活性領域ではコレクタ抵抗R_Cは非常に大きな値ということになる。

遮断領域

遮断領域とは、ベース電流I_Bが0[A]でもコレクタ電流I_Cが0[A]とならず漏れ電流がわずかに流れる領域であり、出力特性(I_C-V_CE特性)の緑色の箇所となる。
この漏れ電流のことを、コレクタ遮断電流I_CEOと言う。(また、コレクタ遮断電流I_CEOは、コレクターエミッタ間遮断電流とも呼ばれる)

コレクタ遮断電流I_CEOの値が小さければ小さいほど特性の良いトランジスタである。
なお、コレクタ遮断電流I_CEOはデータシートには最大値のみが記載されている。

※補足
遮断領域では、トランジスタをスイッチとして使用する場合、トランジスタのスイッチがオフの状態である。
遮断領域は、コレクタ遮断領域とも呼ばれる。

その他 : トランジスタの出力アドミタンス

トランジスタを使用する時、h定数と呼ばれるものを用いることがある。 h定数には、出力アドミタンスh_OE、電流増幅率h_FE、入力インピーダンスh_IE、電圧帰還率h_REがある。

ここで、出力特性(I_C-V_CE特性)と関係があるのは、出力アドミタンスh_OEである。
出力アドミタンスh_OEとは、出力特性(I_C-V_CE特性)の曲線の傾きのことであり、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEの変化に対するコレクタ電流I_Cの変化の逆数で、下式となる。
$h_{OE}={\frac {\Delta I_{C}}{\Delta V_{CE}}}{\mbox{[S]}}$

なお、単位はS(ジーメンス)である。

入力特性(I_B-V_BE特性)

入力特性(I_B-V_BE特性)とは

トランジスタの入力特性(I_B-V_BE特性)とは、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEを一定とした時における、
ベース電流I_Bとベース-エミッタ間電圧V_BEの特性のことである。

ベースとエミッタ間はPN接合となるため、ダイオードの順方向電圧特性(I_F-V_F特性)と同じになる。

シリコンを素材としたシリコントランジスタの場合、ベース-エミッタ間電圧V_BEが0.6～0.8[V]以上になると、ベース電流I_Bが大きく変化する。
ゲルマニウムを素材としたゲルマニウムトランジスタの場合、ベース-エミッタ間電圧V_BEが0.2～0.3[V]以上になると、ベース電流I_Bが大きく変化する。

入力特性(I_B-V_BE特性)における温度特性

トランジスタの入力特性(I_B-V_BE特性)は、温度によって変化する。
データシート上には、温度が-55[℃]、-40[℃]、-25[℃]、25[℃]、100[℃]など異なる温度の時のI_B-V_BE特性が記載されている。

入力特性(I_B-V_BE特性)において、温度が高くなると特性は左側にシフトする。
すなわち、温度が高くなると、同じベース電流I_Bを流すために必要なベース-エミッタ間電圧V_BEが減少する。

下図は、東芝製2SC1815の入力特性(I_B-V_BE特性)である。
コレクタ-エミッタ間電圧V_CEが6[V]、温度が-25[℃]、25[℃]、100[℃]の時の特性が記載されており、温度が高くなると特性は左側にシフトしていることが分かる。

I_C-V_BE特性

I_C-V_BE特性とは

I_C-V_BE特性とは、エミッタ接地トランジスタの静特性で、コレクタ電流I_Cとベース-エミッタ間電圧V_BEの関係を表した特性である。
I_C-V_BE特性は、ベース電流I_Bとベース-エミッタ間電圧V_BEの関係を表したV_BE-I_B特性と同じ形であり、
コレクタ電流I_Cは、ベース電流I_Bのh_FE倍となる。

※補足
ベース-エミッタ間電圧V_BEとは、トランジスタのベース-エミッタ間に生じる電圧のことである。
ベース-エミッタ間電圧V_BEはベース電流依存性を持っており、ベース電流I_Bが多いほどベース-エミッタ間電圧V_BEが高くなる。

ベース-エミッタ間電圧V_BEがある電圧を超えると、コレクタ電流I_Cが流れ始める。
この時、コレクタ電流I_Cは、ベース-エミッタ間電圧V_BEの増加に対して、指数eのべき乗の関数で増加する。
${\begin{aligned}I_{C}&=I_{S}(\exp({\frac {V_{BE}}{V_{T}}})-1)\\&=I_{S}(\exp({\frac {qV_{BE}}{kT}})-1)\end{aligned}}$
ここで、I_Sはトランジスタの品種によって決まる逆方向飽和電流[A]、qは電子の電荷[C]、kはボルツマン定数、Tは絶対温度[K]、
VBEはベース-エミッタ間電圧、VT(=q/kT)は半導体の物性で求まり27[℃](300[K])において約26[mV]となる。

I_C-V_BE特性の温度特性

I_C-V_BE特性は温度によって変化する。
データシート上には、温度が-55[℃]、-40[℃]、-25[℃]、25[℃]、100[℃]、125[℃]等の異なる温度の時のI_C-V_BE特性が記載されている。

I_C-V_BE特性は、温度が高くなると、特性は左側にシフトする。
すなわち、温度が高くなると、同じコレクタ電流I_Cを流すために必要なベース-エミッタ間電圧V_BEが減少する。
また、ベース-エミッタ間電圧V_BEが一定の時は、温度が高いほどコレクタ電流I_Cが流れる。

一般的に、ベース-エミッタ間電圧V_BEは1[℃]が上がると、約2[mV]が下がると言われている。(-2[mV]/[℃])
例えば、温度が30[℃]変化すると、ベース-エミッタ間電圧V_BEが60[mV]変化する。
ベース-エミッタ間電圧V_BEは約0.6[V]なので、温度が30[℃]変化すると、ベース-エミッタ間電圧VBEが約10[%]も変化する。
これは、精度を求められる回路では全く無視できない数字となる。

電流伝達特性(I_C-I_B特性)

電流伝達特性(I_C-I_B特性)とは

トランジスタの電流伝達特性(I_C-I_B特性)とは、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEを一定とした時、コレクタ電流I_Cとベース電流I_Bの関係を表した特性のことである。

下図のように、コレクタ電流I_Cがある一定値(IC1)を超えるまでベース電流I_Bが増えると、コレクタ電流I_Cは比例して増加するため、特性の形は「線形」になる。
また、その比例定数は 直流電流増幅率h_FEとなるため、式で表すと
$I_{C}=h_{FE}\times I_{B}$
となる。

直流電流増幅率h_FEは、一般的に、数十～数百の値なので、ベース電流が10[μA]オーダーで変化すると、コレクタ電流I_CはmAオーダーで変化する。
一方、コレクタ電流I_Cがある一定値を超えた時、ベース電流I_Bを増やしても、コレクタ電流I_Cが増加しなくなる。
これが、トランジスタの飽和である。

また、トランジスタのデータシートを見ると、直流電流増幅率h_FEとコレクタ電流I_Cの関係を表したh_FE-I_C特性がある。
下図に、2SC1815のh_FE-I_C特性を示す。

この特性より、コレクタ電流I_Cはある一定値までは、直流電流増幅率h_FEがほぼ一定なので、$I_{C}=h_{FE}\times I_{B}$より、
ベース電流I_Bとコレクタ電流I_Cは比例関係にある。
しかし、コレクタ電流I_Cがある一定値を超えると、直流電流増幅率h_FEが減少するため、ベース電流I_Bが増加しても、$I_{C}=h_{FE}\times I_{B}$より、
コレクタ電流I_Cが増加しなくなる。

※補足

• トランジスタをスイッチとして使用する場合

  ベース電流I_Bを増やしても、コレクタ電流I_Cが増加しなくなる領域(飽和領域という)を用いる。

• トランジスタをアンプとして使用する場合

  ベース電流I_Bとコレクタ電流I_Cは比例関係となる領域(活性領域という)を用いる。

• その他

  直流電流増幅率はh_FEではなくβ(ベータ)で表すこともある。

  一方、交流電流増幅率は、小信号電流増幅率h_fe($={\frac {\Delta I_{c}}{\Delta I_{b}}}$)で表す。

  直流電流増幅率h_FEは同一型番のトランジスタでもバラツキが大きいため、設計の際には注意が必要となる。

  
  

  直流電流増幅率のh_FEは、Hybrid Forward Emitterの略である。

hFE-IC特性

hFE-IC特性とは

トランジスタのh_FE-I_C特性とは、直流電流増幅率h_FEとコレクタ電流I_Cの関係を表した特性のことである。

直流電流増幅率h_FEは、トランジスタのベース電流I_Bとコレクタ電流I_Cの比率であり、以下の式で表される。
$h_{FE}={\frac {I_{C}}{I_{B}}}$

直流電流増幅率h_FEの値は様々であり、一般的な値は100～500程度で、小さいものだと10程度、大きいものでは1000程度のものもある。

例えば、直流電流増幅率h_FEが100のトランジスタの場合、100[mA]のコレクタ電流I_Cを流すには1[mA]のベース電流I_Bが必要ということになる。
言い換えると、わずか1[mA]のベース電流IBの変化で100[mA]もコレクタ電流I_Cを制御できるのがトランジスタの特徴である。

また、トランジスタのh_FE-I_C特性は、温度とコレクタ-エミッタ間電圧V_CEによって変化する。

次のセクションに、この温度特性について記載する。

h_FE-I_C特性の温度特性

h_FE-I_C特性は、トランジスタのデータシートに記載されている。
下図は、2SC1815のh_FE-I_C特性である。
温度やコレクタ-エミッタ間電圧V_CEを振った時の特性が記載されている。
(温度を100[℃]、25[℃]、-25[℃]と振った時と、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEを1[V]、5[V]と振った時のh_FE-I_C特性となっている)

直流電流増幅率h_FEは、温度によって大きく変化し、温度が高いほど直流電流増幅率h_FEは大きくなる。

例として、コレクタ電流I_Cが10[mA]の箇所を見ると、
温度が25[℃]の時の直流電流増幅率h_FEは150であるが、温度が-25[℃]の時の直流電流増幅率h_FEは100となっている。

そのため、トランジスタが動作するギリギリの設計をした場合、高温の時は動作して、低温の時は動作しないことが起きるので注意すること。
低温の環境で動作させる場合は、直流電流増幅率h_FEが低下しても問題が生じないような工夫が必要となる。

h_FE-I_C特性のコレクタ-エミッタ間電圧V_CE特性

直流電流増幅率h_FEは、コレクタ電流I_Cとコレクタ-エミッタ間電圧V_CEの値によって変化する。

下図は、2SC1815のh_FE-I_C特性である。

温度が25[℃]の時の特性を見ると、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEが5[V]の時(実線の時)は、
コレクタ電流I_Cが100[mA]になるまで直流電流増幅率h_FEは低下していない。

一方、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEが1[V]の時(点線の時)は、
コレクタ電流I_Cが30[mA]以上になると直流電流増幅率h_FEが低下していることがわかる。

すなわち、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEに余裕が無いと、直流電流増幅率h_FEを一定に維持できなくなるのである。

その他 : 直流電流増幅率h_FEのばらつき

トランジスタを製造すると、様々な値の直流電流増幅率hFEのものができてしまう。
そのため、メーカーでは、直流電流増幅率hFEを測定・分類して、分類コードを印字して出荷している。

下図は、2SC1815の電気的特性である。
直流電流増幅率hFEが、O:70～140、Y:120～240、GR:200～400、BL:350～700と分類されていることが分かる。

ちなみに、OはOrange、YはYellow、GRはGreen、BLはBlueの頭文字を示している。
抵抗器のカラーコードにおいて、3＝Orange、4＝Yellow、5＝Green、6＝Blueであり、その順番と同じ順序となっている。