電子デバイス／バイポーラトランジスタ

５．増幅回路とその特性（１）

　前項で説明した増幅作用が、バイポーラトランジスタの特性としてどうなるかもう少し説明します。そのために前項の図４－１の電圧と電流の符号を図５－１のように少し変えました。エミッタ（Ｅ）－ベース（Ｂ）間の電圧をＶ_ＥＢとし、エミッタ電流をＩ_Ｅとします。またコレクタ（Ｃ）－ベース（Ｂ）間の電圧をＶ_ＣＢ、コレクタ電流をＩ_Ｃとします。コレクタ側にかけるバイアス電圧はＶ_ＣＣとし、エミッタ側はＶ_Ｅとします。

　Ｖ_ＥＢを変えたとき、どのようなエミッタ電流が流れるかを示したグラフが図５－２（ａ）です。小さいＶ_ＥＢをかけただけでエミッタ電流が流れ、Ｖ_ＥＢを少し増やすとエミッタ電流は急に増えます。これはｐｎ接合ダイオードに順方向に電圧をかけたときと同じような特性です。この特性はＶ_ＣＢを変えてもあまり変わりません。

　Ｖ_ＣＢを変えたとき、どのようなコレクタ電流が流れるかを示したグラフが図５－２（ｂ）です。広い範囲にＶ_ＣＢを変えてもほとんどコレクタ電流は一定です。ただしエミッタ電流を変えるとコレクタ電流も変わります。このときコレクタ電流はほとんどエミッタ電流を等しい電流値になります。これは前項で説明した通りです。

　いま負荷抵抗に10ｋΩの抵抗器をつなぎ、Ｖ_ＣＣを30Ｖとした場合を考えます（実際にはこんな高いバイアス電圧を使うことはなく、せいぜい５Ｖ程度ですが、ここではわかりやすくするために30Ｖとします）。図５－２（ｂ）に赤色で書き込んだ直線を負荷直線といいます。これについては絶縁ゲート電界効果トランジスタのところでも説明しましたが、10ｋΩの負荷抵抗がつながっている場合は、この抵抗を流れる電流とその両端の電圧はこの直線上になければなりません。トタンジスタの特性は図の通りになりますから、この負荷直線とトランジスタの特性を示す曲線の交点でこの回路を流れる電流と各部の電圧が決まります。

　矢印で示したコレクタ電流が20ｍＡ流れている場合を考えると、負荷抵抗の両端には20Ｖの電圧が発生し、トランジスタのコレクタ－ベース間には10Ｖの電圧がかかります。このときのＶ_ＥＢはどれくらいかは（ａ）のグラフを見るとわかります。赤い点を打ったところがそれに当たり、Ｖ_ＥＢはわずか0.16Ｖ位です。つまりＲ_Ｌ両端の電圧はＶ_ＥＢの100倍以上になっていることがわかります。これが増幅作用です。

　ところでコレクタ電流が一定であるＶ_ＣＢの範囲は非常に広いことが図５－２（ｂ）から分かります。Ｖ_ＣＢ＝０Ｖでもまだ一定電流が流れています。これはコレクタ－ベース間にはｐｎ接合があり、外部電圧が０でも内部には電界がかかっているためです。この内部の電界を打ち消すほどの逆電圧をかければ、コレクタ電流は急に減少し、反転します。

　上で説明したようにコレクタ電流Ｉ_Ｃとエミッタ電流Ｉ_Ｅはほぼ等しくなります。ただし「ほぼ」で、正確にはＩ_Ｃの方がＩ_Ｅよりわずかに小さくなります。この分はベース電流になります。ただしＩ_Ｅを流さないようにした場合、Ｖ_ＣＢを増やしていくと、小さなコレクタ電流が流れます。これはベース領域にはエミッタから流れ込まなくてもわずかに電子が存在するためです。

　一方、Ｖ_ＣＢを大きくしていくと、図では50Ｖを越えると、コレクタ電流は急増します。これはｐｎ接合が大きな逆バイアスに耐えられなくなったことを意味します。急増した電流がそれほど大きくならないうちにＶ_ＣＢを下げれば、電流は回復しますが、さらにＶ_ＣＢを大きくし、大電流を流すと接合の構造が本当に破壊され、電圧を下げても回復しなくなります。

　なお、最後にお断りですが、図５－２の両軸の目盛りは電圧、電流がマイナスになっています。これは説明を一貫してｎｐｎ型に対して行っているためです。ｎｐｎ型では電子を主役にして説明できるのでこうしたのですが、マイナス電荷をもった電子の流れる方向と電流の方向は逆方向に定義します。そしてブラックボックスにおいては普通、入力では電流が流れ込む方向をプラス、出力側では流れ出す方向をプラスにとりますので、このようなことになります。この場合、本来は原点に対して対称な第３象限にグラフを描くべきですが、見にくくなるので、このようにしたわけです。あまり符号にとらわれずに見ていただければよいと思います。