電子デバイス／バイポーラトランジスタ

３．バイポーラトランジスタ中の電子の動き

　バイポーラトランジスタはｐｎ接合を２つ重ねたｐｎｐ型またはｎｐｎ型の２通りがあります。電流の流れる方向は逆になりますが、はたらきはどちらでも基本的には同じです。

　どうしてこのような構造が考えられたのでしょうか。それは恐らく３極真空管やＩＧＦＥＴと共通した発想があると思われます。どこが共通かと言うと、電子をマイナス極からプラス極に向かって走らせ（あるいは飛ばし）、それを途中でコントロールしようという発想です。

　例えばｎｐｎ構造の場合、ｎ型半導体の両側に電極を着けて電圧をかけると電子が電極の間を走行しますが、ｎ型半導体のなかにｐ型半導体を挟み、これを使って走っている電子をコントロールしようというわけです。

　ところで最初に「ｐｎ接合を２つ重ねた」と言いましたが、ｐｎ接合には１方向にしか電流を流さない整流作用があります。ｎ側をマイナス、ｐ側をプラスにすると電流が流れますが、逆にすると電流は流れません。

　ｎ型半導体の両側に電極を付けただけならば、半導体内に接合はなく、ただの抵抗器になりますから電流は流れます（半導体と電極金属の間でも整流作用が起こる場合がありますが、それは防ぐことができます）。しかし間にｐ型層が入ると、ｎｐとｐｎという方向が逆のｐｎ接合が重ねられることになり、両側のｎ型半導体にプラスとマイナスを繋ぐと、どちらか一方のｐｎ接合では電流が流れないように思われます。

　しかし実際には流れる流れないの白黒どちらかではありません。とくにｎ型半導体中の電子の濃度が高いと多少逆方向に電圧がかかっていても電子はｐ型層内に溢れるようにして流れ込みます。これを拡散電流と言います。

　無色の水に絵の具などで色を付けた水を一滴たらし、放置しておくと、とくにかき混ぜたりしないでも色水は全体に広がって最初にどこにたらしたか分からなくなってしまいます。これが拡散という現象で、電子もどこかに濃い部分があると一様に広がろうという性質があります。ただ電子の場合は色水とちがって電荷をもっているので、強い電界がかかると力を受けて移動（ドリフト(drift)ということがあります）しますから、拡散は打ち消されてしまいます。

　簡単な図を描いてまとめておきます。図３－１はｎｐｎ構造中の電位を示す図です。図の電位は左側のｎ型層がマイナス、右側のｎ型層がプラスの状態です。普通のイメージと上下が逆ですが、これはマイナスの電荷をもっている電子が上方から下方へ流れるように描く習慣のためです。

　さて左側のｎ型層中の電子濃度を高くしておくと、ｎ型層とｐ型層の境界では電界は電子を左側に引き戻す方向にはたらいていますが、この電界（つまり電位の傾き）が小さければ拡散によって電子はｐ型層へ流れ込めます。

　一旦ｐ型層に入った電子は、今度は右側のｐｎ接合のやや強い電界に引かれてｎ型層へ流れます。これで電子は左側のｎ型層から右側のｎ型層へ、つまりマイナス極からプラス極へ流れることができることができます。そして真ん中のｐ型層の電位を調節してやれば、流れる電子の量を調整できそうなことも何となく想像できると思います。

　この項に関する数式を用いた解析については「半導体デバイスの物理」７、８項などを参照してください。

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