【図解】トランジスタとは?トランジスタの仕組み･役割

現代の生活で欠かすことの出来ないスマートフォン。

日本では、Apple社のiPhoneシリーズが人気です。

そのiPhoneのSoC（System-on-a-Chip）に搭載されているトランジスタの数は、新機種が発売される度に指数関数的に増加しています。

機種	SoC （System on a Chip）	トランジスタ数
iPhone 5s	Apple A7 Bionic	約10億個
iPhone 6	Apple A8	約20億個
iPhone 7	Apple A10 Fusion	約33億個
iPhone 8	Apple A11 Bionic	約43億個
iPhone XR	Apple A12 Bionic	約69億個
iPhone 11	Apple A13 Bionic	約85億個

SoC（System-on-a-Chip）とは、CPUも含めた制御に必要な複数の部品（システム）である

GPU
4G/3G、Wi-Fi
カメラ、オーディオ・ビデオ
ディスプレイ
各種センサ
GPS 等々

に関するあらゆるシステムが1つのチップにまとめられ搭載されている集積回路【IC】（以下、ICと呼ぶ）製品の事を指します。

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この記事では、そんな現代の生活に欠かせないスマートフォンに何十億個と搭載されているトランジスタの

仕組み
役割

についてそれぞれ説明していきます。

トランジスタの仕組み
1. トランジスタの回路記号
トランジスタの役割
1. 回路をオン/オフにするスイッチの様な役割
2. 回路を流れる電流の量を変化させる可変抵抗器の様な役割

トランジスタの仕組み

トランジスタは、N型・P型半導体の性質を利用した能動素子です。

N型・P型半導体とは、それぞれ

N型半導体・・・陰電気を帯びている半導体
P型半導体・・・陽電気を帯びている半導体

になります。

真性半導体であるシリコン等々は、そのまま使用しても自由電子は動きにくく、絶縁体同様、通電しません。

半導体として電気を流す為には、不純物の

リン
ホウ素

を真性半導体のシリコン等々に混ぜ込むことで

リン、ヒ素等を不純物として添加・・・N型半導体
ホウ素、アルミニウム等を不純物として添加・・・P型半導体

とそれぞれが生成されます。

不純物半導体・・・半導体に不純物をドープ（Dope）させたもの

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増幅
制御
変調

して出力するなどの機能を有する素子の事を指します。

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受動素子とは

抵抗器
コンデンサ（キャパシタ）
コイル

のように、増幅や電気エネルギーの変換のような能動的機能をもたない素子の事を指します。

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トランジスタには

エミッタ
ベース
コレクタ

と呼ばれる端子があります。

P型の両端をN型で挟んだトランジスタ・・・NPN型トランジスタ
N型の両端をP型で挟んだトランジスタ・・・PNP型トランジスタ

があり、ベース – エミッタ間を流れる電流によって、コレクタ – エミッタ間の電流を制御します。

出典:chokomacar.com

実際のNPN型トランジスタの働きを見てみましょう。

エミッタとコレクタはN型半導体・・・自由電子がある（電子が過剰）
ベースはP型半導体・・・正孔がある（電子が不足）

単体ではそれぞれ（エミッタ・コレクタ・ベース内）をキャリアとして電流が流れています。

キャリア・・・電荷を運ぶ自由な粒子を指し、特に電気伝導体における電流を担う粒子を指します。
この場合、

自由電子
正孔

がキャリアになります。

エミッタ – コレクタ間に、エミッタ側を（ー）として印加 -> 電流は流れない
エミッタの自由電子がコレクタ側（＋）に引き寄せられてベースに流れ込み、正孔と結合。
ベースの正孔は数が有限で、全てが自由電子と結合する事で、ベース内にキャリアが存在しなくなる -> 電子の移動が停止（エミッタ – ベース間には空乏層が形成）
コレクタ内の電子も（＋）極に引き寄せられて移動しますが、コレクタへは新たな電子の流入がないため、コレクタの電子が全て（＋）極の正孔と結合した時点で電子の移動が停止

エミッタ – ベース間に、エミッタ側を（ー）として印加 -> トランジスタ全体に電流が流れる
ベースには新たに正孔が流入、エミッタに存在する自由電子がベースに向かい移動
移動した自由電子のうち一部はベース内の正孔と結合、ベースは非常に薄い層である為、大部分の自由電子はコレクタに引き寄せられてベースを通過 -> トランジスタ全体に電流が流れる