トランジスタは、端子へ与える信号によって電流を制御し、増幅やスイッチングを行う半導体素子です。材料の「電気を少し通す性質」だけで自動的に動くのではなく、接合、電極、絶縁膜と電圧のかけ方が働きを決めます。ここではBJTとMOSFETを例に、仕組みを追います。
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電子と正孔、pn接合を最初に整理する
n型では電子、p型では正孔が主な移動キャリアになります。正孔は価電子帯で電子が欠けた状態を、正の電荷を持つ粒子のように扱う表現です。n型とp型は、材料全体の負・正への帯電を表す名称ではありません。均一なバルクでは、移動キャリアとイオン化した不純物等の電荷がつり合います。
p型とn型を接合すると、境界付近でキャリアが拡散・再結合し、移動キャリアの少ない空乏層が生じます。そこにはイオン化した不純物による空間電荷が残り、電界と電位障壁を作ります。「電子と正孔が消えて全て中性の空白になる領域」ではありません。外部電圧で障壁や空乏層が変わることを、素子構造と合わせて考えます。
BJTではエミッターからの注入と薄いベースを使う
バイポーラトランジスタ（BJT）にはエミッター、ベース、コレクターがあり、NPN型ではp型のベースをn型領域が挟む基本構成です。これは働きを理解するための模式であり、同じ部品のダイオード二個を単に配線しただけでは、同じ増幅作用にはなりません。
NPN型の順方向能動動作を例にすると、ベース・エミッター間を順方向へ、ベース・コレクター間を逆方向へバイアスします。エミッターからベースへ入った電子の多くが、薄いベースを通ってコレクターへ集められます。二つの接合の電圧条件と、キャリアの輸送を一緒に見ることが必要です。極性が逆のPNP型は、電圧・電流の向きも変わります。
回路ではベース電流とコレクター電流の関係を使いますが、電流増幅率をすべての電流・温度で一定と考えてはいけません。スイッチとしてオンさせる飽和状態と、小信号を増幅する動作点も区別します。東芝の基礎解説は構造と端子、駆動を説明しています。
MOSFETでは絶縁ゲートの電界でチャネルを作る
MOSFETのゲートは絶縁膜を介して半導体へ電界を加えます。ここでは横型のエンハンスメント型nチャネルMOSFETを例にします。ゲート電圧を変えると、p型表面のキャリア分布が変わり、十分な条件では電子が多い反転層が生じ、ソースとドレインの間にチャネルを形成します。
ゲートを流れる小電流で出力電流を直接増やす、というBJTと同じ説明にはしません。一方、ゲートが絶縁されていても、切替時には容量を充放電する駆動電流が必要です。しきい値に達することと、低いオン抵抗で通電できることも別で、電圧と温度の仕様を確認します。
増幅とスイッチでは動作点の使い方が違う
| 目的 | 見るべき動作 | 注意すること |
|---|---|---|
| 信号を増幅 | 入力の小変化に対応する出力変化 | 電源、動作点、利得、帯域、雑音と歪み |
| オン/オフを切替 | 遮断と通電状態、および遷移 | 駆動、オン損失、漏れ、切替時間と熱 |
| 論理回路へ組込む | 複数素子で入力に応じた出力を作る | 電圧範囲、遅延、負荷と消費電力 |
増幅された出力のエネルギーは電源から供給されます。トランジスタはエネルギーを無から作る部品ではありません。また、MOSFETの飽和領域とBJTの飽和状態は、同じ動作を意味する言葉ではありません。使用する素子の特性図で確認します。
材料、構造と回路全体の性能を分ける
ICには多数の素子が集積され、電源や配線と組み合わせて演算や記憶等を行います。個別に実装するトランジスタの選定とは、扱う範囲が異なります。部品の種類・用途や定格の入口はトランジスタの機能と選び方、材料と不純物の基礎はドーピングの仕組みで整理しています。
端子名・極性・動作領域・電源と負荷をそろえて読むと、図と実回路をつなげられます。素子数や材料名だけで機器全体の速度や省電力が決まるわけではありません。実験は定格と保護、機器の手順を確認して行います。
まとめ
BJTは接合を通るキャリアの注入と輸送、MOSFETはゲート電界によるチャネル制御を利用します。空乏層に残る空間電荷、増幅とスイッチの動作点を分けると、「小さい信号で電流を制御する」という説明の中身が理解できます。
