電子デバイス／バイポーラトランジスタ

４．バイポーラトランジスタの増幅作用

　ｐｎ接合を２つ重ねたｎｐｎ接合を電子がどのように流れるかを前項３で説明しましたがこれだけでは増幅作用がなぜ起こるのかまだ分かりません。そこでｎｐｎ接合を２項で説明したブラックボックスに当てはめて考えてみます。

　そうすると図４－１のようになります。ブラックボックスの外は入力する信号と出力信号を取り出す負荷抵抗だけを繋げますから、ブラックボックスの中はトランジスタと電源が入っていることになります。

　トランジスタの一方のｎ型層に入力信号を入れますが、この電極をエミッタといいます。英語のemitは放つ、放出するという意味で、電子がこの電極から放出されるので、この名前が付けられています。もう一方のｎ型層から出力信号を取り出しますが、この電極をコレクタといいます。英語のcollectは集めるという意味で、流れてきた電子をここで集めるという意味でこの名前が付けられています。真ん中のｐ型層はベースといいます。baseは基礎という意味ですから、ここが基準の電極ということになります。

　図４－２は前項の図と同じエネルギーバンド図です。図４－１と見比べながら電子の流れをみると、ｎ型のエミッタにマイナス、ｐ型のベースにプラスの方向にＶ_Ｅという電圧をかけていますので、エミッタ－ベースのｎｐ接合には順方向に電圧がかかっていることになり、エミッタには電子が流れ込んできます。そしてこの電子はベース層内に溢れて流れ込みます。

　一方、コレクタ側をみると、ｐ型のベースにはマイナス、ｎ型のコレクタにはプラスのＶ_Ｃという電圧がかかっていますから、ベース－コレクタのｐｎ接合には逆方向の電圧がかかっています。ｐｎ接合に逆バイアスをかけると電流は流れないというのが常識ですが、これは電子がｎ型層の側にしかいないからです。ところがこの場合は、ｐ型層のベースに電子がたくさん入り込んでいるという特別な状態になっているので、その電子はプラス電位に引かれてどんどんコレクタに流れ込むことになります。これがバイポーラトランジスタの動作では重要な点です。

　バイポーラトランジスタでは普通、図４－１のようにベース層は薄く作られています。このため、エミッタからベースに入った電子はコレクタ側に流れ込みやすく、ブラックボックスにエミッタ側から入る電流ｉ_１とコレクタ側から出てくる電流ｉ_２は大体等しくなります。言い換えるとベース電極から流れ出す電流はほとんどないようにします。

　ｉ_１とｉ_２が大体同じなら、２で説明したように、入口側の電圧ｖ_１より出口側の電圧ｖ_２が大きければ、電力としては増幅されることになります。出口側の電圧ｖ_２を大きくするためには、負荷抵抗Ｒ_Ｌを大きな抵抗値にすることと、ベース－コレクタ間の逆バイアス電圧Ｖ_Ｃを高くすることが必要です。

　Ｖ_Ｃを大きくし過ぎるとｐｎ接合が壊れてしまいますので、限度はありますが、このような使い方で電力の増幅ができることがわかります。

　なお、前項からｐｎ接合内を流れる電子だけに注目し、図にも電子しか描いていませんが、実は正孔もあります。ただｎｐｎ型のトランジスタでの主役は電子で、正孔による電流は小さく無視して考えてもそれほど問題はありません。ただしｐｎｐ型の場合には逆に正孔による電流が主役になります。電圧をかける方向も逆になりますので、注意が必要です。

　バイポーラトランジスタによる増幅の理論的説明は「半導体デバイスの物理」の９項などを参照してください。