【図解あり】トランジスタの仕組みと役割




【図解あり】トランジスタの仕組みと役割

今や、日本人の成人のほとんどの方が所有しているスマートフォン。

日本では、Apple 社のiPhone シリーズのスマートフォンを持っている方が多いようです。

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、

  • iPhone 5s のApple A7・・・約10億個以上
  • iPhone 6 のApple A8 ・・・約20億個以上
  • iPhone 7 のApple A10・・・約33億個

SoC(System-on-a-Chip)・・・
CPUも含めて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】製品

SoC

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現代の生活に欠かせないトランジスタ

  • トランジスタの構造
  • トランジスタの役割

について説明します。

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トランジスタ

トランジスタ

トランジスタの構造

トランジスタは、P型・N型の半導体の性質を利用した能動素子です。

N型半導体P型半導体に関しての記事はこちら

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能動素子・・・トランジスタダイオードのように、入力信号あるいはエネルギーを

  • 増幅
  • 制御
  • 変調

して出力するなどの機能を有する素子

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  • エミッタ
  • ベース
  • コレクタ

と呼ばれる端子を持っています。

トランジスタ

  • 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。

トランジスタ

トランジスタの回路記号
バイポーラトランジスタの回路記号

  1. NPN型バイポーラトランジスタ
  2. PNP型バイポーラトランジスタ

トランジスタの仕組み

    • エミッタコレクタはN型半導体である為・・・自由電子がある(電子が過剰)
    • ベースはP型半導体である為・・・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。

    トランジスタの仕組み

    自由電子正孔に関しての記事はこちら

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    1. エミッタコレクタ間に、エミッタ側を (-) として電圧をかけます ➡ 電流は流れません。
    2. エミッタ自由電子コレクタ側 (+) に引き寄せられてベースに流れ込み、そこにある正孔と結合します。
      ベース正孔は数が有限で、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ります。 ➡ 電子の移動が停止(エミッタベース間には空乏層が形成)。
    3. 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します。

    トランジスタの仕組み

    1. エミッタベース間に、エミッタ側を (-)として電圧をかけます。 ➡ トランジスタ全体に電流が流れます。
    2. ベースには新たに正孔が流入するため、エミッタに存在する自由電子ベースに向かい移動します。
    3. 移動した自由電子のうち一部はベース内の正孔と結合しますが、ベース非常に薄い層である為、大部分の自由電子コレクタに引き寄せられてベースを通過してしまいます。 ➡ トランジスタ全体に電流が流れます。

    トランジスタの仕組み

  1. エミッタコレクタ間の電流はエミッタベース間の電流に比例して変化することになります。

    各部はそれぞれ

    • ベース(Base)がベース電流を基本(Base)として
    • エミッタ(Emitter)が放出した(emit)電子を
    • コレクタ(collector)が受け取る(collect)」

    という名前通りの働きをします。

トランジスタのしくみ

トランジスタの役割

トランジスタの役割

トランジスタの役割は大きく分けて2つあります。

  • 回路をオン/オフにするスイッチの様な役割
  • 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

回路をオン/オフにするスイッチの様な役割

トランジスタエミッタベース間の電流(ベース電流)によってエミッタコレクタ間のより大きな電流(コレクタ電流)を制御できる仕組みを利用しています。

トランジスタの役割

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

トランジスタの役割

トランジスタは可変抵抗器の様な役割を果たしています。

つまり、

  • エミッタベース間にわずかな電流を流すことで、エミッタコレクタ間にその何倍もの電流を流すことが可能。
  • エミッタベース間のわずかな電流変化が、エミッタコレクタ間電流に大きな変化となって現れます。

例えば、電流の比率が

  • トランジスタ回路(左側回路) ・・・1
  • 本回路(右側回路)      ・・・10

という回路があるとします。

トランジスタ回路

トランジスタは、電流の比を常に一定の比率に保つように調整する機能を備えています。

トランジスタ回路(左側回路)の電流を15 に変化させるとどうなるのか。

  • トランジスタ回路(左側回路) ・・・5
  • 本回路(右側回路)      ・・・50

となります。

トランジスタ回路

ここで注目して頂きたいのは、

  • トランジスタ回路(左側回路) ・・・15
  • 本回路(右側回路)      ・・・1050

トランジスタ回路(左側回路)の電流の増加が、4(51)の振幅に対して、本回路(右側回路)の電流の増加は40(5010)も振幅があります。

これゆえに、トランジスタ増幅作用があると言われているのです。

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