電子回路Ⅰ　第３回(2008/10/20) バイポーラトランジスタの動作原理.

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1 電子回路Ⅰ　第３回(2008/10/20) バイポーラトランジスタの動作原理

2 今日の内容 半導体とは ドーピング キャリアの運動（電流） pn接合 pn接合ダイオードの動作原理 バイポーラトランジスタの動作原理
バイポーラトランジスタの直流動作

3 半導体とは 固体を電気を流す、流さないで分類 金属 電気を良く流す（自由電子） アルミニウム(Al), 銅(Cu), 金(Au), ・・・
金属　電気を良く流す（自由電子） アルミニウム(Al), 銅(Cu), 金(Au), ・・・ ニクロム(NiCr), ステンレス(FeCrNi), ・・・ 半導体　流すときと流さないときがある シリコン(ケイ素,Si), ガリウム砒素(GaAs), ・・・ 絶縁体　電気を流さない ガラス(SiO2), その他多くの物質

4 固体中の電子（絶対ゼロ度） Si 伝導帯 禁制帯 価電子帯 エネルギー Siの最外殻電子数（価電子数）は４つ
結合に使われている電子は動けない

5 固体中の電子（室温） Si 伝導帯 自由電子 (負の電荷を運ぶ) 禁制帯 正孔 (正の電荷を運ぶ) 価電子帯
熱によって結合が切れ、自由電子が発生 隣の結合の電子が移動することによって、切れた結合も移動できる（正孔：電子の抜け穴） 自由電子と正孔は電荷を運ぶ 電気を流すことができる 自由電子と正孔の密度は温度とともに増加

6 金属、半導体、絶縁体の違い 金属 半導体 絶縁体 伝導帯 伝導帯 伝導帯 禁制帯 禁制帯 禁制帯 価電子帯 価電子帯 価電子帯
伝導帯に電子が多数存在 電流は流れる 半導体 禁制帯の幅が狭い 電流はそこそこ流れる 絶縁体 禁制帯の幅が広い 電流はほとんど流れない

7 半導体へのドーピング(n型) IV族元素のSiにV族のPをわずかに添加
ドナーイオン （+） 周りの原子との結合には電子は４つで十分 電子が１つあまる 容易に自由電子となる Si Si Si Si 結合に寄与しない電子 Si P Si Si 電子を供給する(donate)する元素のことをドナー(donor)という ドナーがドーピングされた半導体は、正孔よりも自由電子の密度が高い n型半導体（単体では電気的に中性） Si Si Si Si Si Si Si Si

8 半導体へのドーピング(p型) IV族元素のSiにIII族のAlをわずかに添加
アクセプタ イオン （-） 周りの原子との結合には電子が４つ必要 電子が１つ足りない 容易に正孔となる Si Si Si Si 電子の受け入れ場所 Si Al Si Si 電子を受け入れる(accept)する元素のことをアクセプタ(acceptor)という アクセプタがドーピングされた半導体は、自由電子よりも正孔の密度が高い p型半導体（単体では電気的に中性） Si Si Si Si Si Si Si Si

9 キャリア密度の温度依存性 ドーピングしないとき（真性半導体） ドーピングしたとき（外因性半導体）
1017 1016 1015 不純物 温度上昇によって生成されるキャリア密度が増加する ドーピングの密度で制御できる

10 固体中では、電子と正孔が、それぞれドリフトと拡散によって運動する
固体中のキャリアの運動 キャリア(carrier) = 自由電子 または 正孔 ドリフト（電界から力を受けて動く、電気的な運動） 拡散（密度むらがあると、密度が均一になるように動く、 電気に関係のない運動） 固体中では、電子と正孔が、それぞれドリフトと拡散によって運動する

11 pn接合（空乏層の発生） 接合直前 接合後 接合直後 アクセプタイオン ドナーイオン p n 空乏層 （空間電荷層） 電位
拡散によりキャリアが移動する 位置

12 pn接合の電流 p（アノード） n（カソード） 電位の障壁 pに+, nに－（順バイアス） pに－, nに+（逆バイアス） p n p n
正孔と電子は接合を超えられる 正孔と電子は接合を超えない 電流が流れる 電流が流れない

13 pn接合ダイオードのI-V特性 立ち上がりはゼロボルトではない

14 バイポーラトランジスタの構造 pnp型とnpn型 p n p n p n ２つのpn接合ダイオードを直列に並べた構造
C C p n p n p n B B エミッタ ベース コレクタ エミッタ ベース コレクタ E E ２つのpn接合ダイオードを直列に並べた構造 （実際はダイオードを上図のように配線してもトランジスタとしての動作はしない）

15 トランジスタの写真 エミッタ ベース ベース エミッタ コレクタ コレクタ

16 トランジスタの型番 2 S B 1815 A 名称 種別 用途 2SA pnp 高周波、スイッチング用 2SB 低周波 2SC npn
2SD 低周波用、電力増幅用 2 S B A トランジスタを意味する 改良型を意味する 半導体を意味する 用途 登録番号

17 トランジスタの特性表 各社のホームページからダウンロードできる 2SC1815の特性表

18 トランジスタのバイアス(pnp) エミッタ ベース コレクタ p n p 順バイアス 逆バイアス

19 トランジスタの動作原理 一部 再結合 拡散 加速 （ドリフト） 電位 再結合 ベース幅が短いことが重要 p n p

20 トランジスタを流れる電流 （理想的にはゼロ）

21 接地方式 ベース接地 エミッタ接地 E C B RL IE IB IC VCE VBE E C B VBE VCB IE IC IB RL

22 ベース接地電流増幅率　a 入力 IE E C 出力 IC VBE B VCB RL IB

23 エミッタ接地電流増幅率 b(hFE) E C B RL IE 入力 IB 出力 IC VCE VBE

24 まとめ トランジスタのタイプ npnとpnp VBEは順バイアス、 VCBは逆バイアス VBEは0.6V以上必要
ベース接地電流増幅率　a （ 1より少し小さい） エミッタ接地電流増幅率