電子デバイス／半導体集積回路

９．バイポーラトランジスタによるスイッチング

　６項でＩＧＦＥＴによる論理回路を説明しましたが、同じ機能はバイポーラトランジスタを用いても実現することができます。歴史的にはバイポーラトランジスタが先に実用化したので、それを用いた論理回路の集積化も先に実現しました。集積回路のアイデアもバイポーラトランジスタを対象に生まれたことは３項、４項で説明した通りです。

　バイポーラトランジスタの章でも示していますが、バイポーラトランジスタのエミッタ接地回路のコレクタ－エミッタ間電圧とコレクタ電流の関係はＩＧＦＥＴのソース－ドレイン間電流とドレイン電圧の関係によく似ていて図９－１のようになります。この図の横軸がコレクタ－エミッタ間電圧Ｖ_ＣＥ、縦軸がコレクタ電流Ｉ_Ｃです。特性はベース電流Ｉ_Ｂを５種類変えた場合を示しています。Ｖ_ＣＥが大きくなるとＩ_Ｃは一定とまではいかないもののあまり増加しなくなります。

　前項のＩＧＦＥＴの場合同様に負荷抵抗Ｒ_Ｌ＝10ｋΩとして負荷直線を引いてみます。Ｉ_Ｂ＝０μＡのＩ_Ｃ－Ｖ_ＣＥ曲線との交点を見ると、Ｉ_Ｃは大体－０．７ｍＡで、そのときのＶ_ＣＥはおよそ－23Ｖです。またＩ_Ｂ＝－40μＡの曲線との交点はＩ_Ｃがおよそ３ｍＡでＶ_ＣＥは－１Ｖ程度です。

　つまり、ベース電流を変えることにより、コレクタ－エミッタ間を流れる電流をオン・オフでき、電圧も大小に変化できることがわかります。ベース電流はベース－エミッタ間の電圧Ｖ_ＢＥを変えることにより変化させることができますから、ベースへの入力信号によってコレクタ－エミッタ間電圧をスイッチすることができます。

　この場合もベース電圧（絶対値）を下げたとき、コレクタ－エミッタ間電圧Ｖ_ＣＥ（絶対値）は上がり、逆にベース電圧を上げるとＶ_ＣＥは下がることがわかります。つまりＩＧＦＥＴの場合と同じように入力電圧の変化に対して出力電圧は逆方向に変化しますからこれはＮＯＴ回路（インバータ）となります。

　なお、実際のバイポーラトランジスタによるインバータ回路は図９－２のようなものが使われています。ベースに抵抗Ｒ_１、Ｒ_２が接続されている点がＩＧＦＥＴの場合と異なります。これはつぎのような理由によります。ＩＧＦＥＴの場合はゲートは絶縁膜によってソース、ドレインと電気的に完全に切り離されていますが、バイポーラトランジスタの場合はベース－コレクタ間はｐｎ接合であり、逆バイアス状態の場合もまったく電流を遮断することができません。

　ベース電圧を下げてオフ状態にしたときもコレクタからベースに向かってわずかながら電流が流れます。この電流がわずかでもベースからエミッタへ流れてしまうと、エミッタ接地回路の増幅作用によってかなりの電流がコレクタからエミッタに向かって流れてしまうことになります。これはオフ状態でも無視できない電流が流れてしまうことを意味し、スイッチとしては完全でないものになってしまいます。

　このときベース抵抗Ｒ_２がベースと接地間に接続されていると、コレクタからベースに流れ込んだ電流がこの抵抗を通ってグランド側へ流れ、エミッタ側へ流れ込むことを防ぐことができます。その結果、オフ時にはコレクタ電流がほとんど流れないようにできます。Ｒ_１は入力端子からベースに過大な電流が流れないようにする電流制限抵抗です。

　この回路の入力端子にＡという信号を入力すると、出力端子にはＡのＮＯＴ信号である\(\bar{A}\)が出力されます。

　さて以上のようにバイポーラトランジスタはスイッチとして動作しますから、ＩＧＦＥＴの場合と同様にＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路を作ることができます。