バイポーラトランジスタ
BJTの定義
バイポーラ接合トランジスタ（BJTまたはBJTトランジスタとも呼ばれる）は、信号を増幅または拡大することができる2つのp-n接合を持つ3端子の半導体デバイスです。これは電流制御デバイスです。BJTの3つの端子はベース、コレクタ、エミッターです。BJTは電子と正孔の両方を電荷キャリアとして使用するトランジスタの一種です。
小さな振幅の信号がベースに適用されると、トランジスタのコレクタで増幅された形式で利用可能になります。これがBJTによって提供される増幅です。ただし、増幅プロセスを行うには外部のDC電源が必要です。
バイポーラ接合トランジスタには2種類あります：NPNトランジスタとPNPトランジスタです。これらの2種類のバイポーラ接合トランジスタの図が以下に示されています。
上記の図から、すべてのBJTにはエミッター、ベース、コレクタという3つの部分があることがわかります。JEとJCはそれぞれエミッター接合とコレクタ接合を表します。最初のうちはエミッター-ベース接合が順方向バイアスで、コレクタ-ベース接合が逆方向バイアスであることを知っていれば十分です。次のトピックではこれらのトランジスタの2つのタイプについて説明します。
NPNバイポーラ接合トランジスタ
n-p-nバイポーラトランジスタ（またはnpnトランジスタ）では、1つのp型半導体が2つのn型半導体の間に配置されます。下の図にn-p-nトランジスタが示されています。ここでIEとICはそれぞれエミッタ電流とコレクタ電流であり、VEBとVCBはそれぞれエミッタ-ベース電圧とコレクタ-ベース電圧です。従来の規則によれば、エミッタ、ベース、コレクタ電流IE、IB、ICがトランジスタに入ると電流の符号は正とされ、トランジスタから出ると負とされます。n-p-nトランジスタ内の異なる電流と電圧を表にまとめることができます。
PNPバイポーラ接合トランジスタ
同様に、p-n-pバイポーラ接合トランジスタ（またはpnpトランジスタ）では、n型半導体が2つのp型半導体の間に挟まれています。p-n-pトランジスタの図が以下に示されています。
p-n-pトランジスタでは、電流はエミッタ端子を通じてトランジスタに入ります。他のバイポーラ接合トランジスタと同様に、エミッタ-ベース接合は順方向バイアスで、コレクタ-ベース接合は逆方向バイアスです。p-n-pトランジスタでも、エミッタ、ベース、コレクタ電流およびエミッタ-ベース、コレクタ-ベース、コレクタ-エミッタ電圧を表にまとめることができます。
BJTの動作原理
図はアクティブ領域でバイアスされたn-p-nトランジスタ（トランジスタのバイアシングを参照）を示しています。BE接合は順方向バイアスであり、CB接合は逆方向バイアスです。BE接合の枯渇層の幅はCB接合よりも小さいです。
BE接合での順方向バイアスによりバリア電位が低下し、エミッタからベースへの電子の流れが可能になります。ベースは薄く軽くドープされているため、穴は非常に少ないです。エミッタからの電子のおよそ2%がベースの穴と再結合し、ベース端子を通じて流出します。
これがベース電流であり、電子と穴の再結合により流れます（従来の電流の流れの方向は電子の流れの方向とは逆です）。残りの多くの電子は逆方向バイアスされたコレクタ接合を通過してコレクタ電流を構成します。したがって、KCLにより、
ベース電流はエミッタ電流とコレクタ電流と比較して非常に小さいです。
ここでは、主な電荷キャリアは電子です。p-n-pトランジスタの動作はn-p-nと同じですが、主な違いは主な電荷キャリアが電子ではなく穴であることです。BJTでは、一部の電流のみが主なキャリアにより流れ、大部分の電流は少数キャリアにより流れます。そのため、これらは少数キャリアデバイスと呼ばれています。
BJTの等価回路
p-n接合はダイオードで表現されます。トランジスタには2つのp-n接合があるため、2つのダイオードが背中合わせに接続されたものと等価です。これがBJTの2ダイオード類推です。
バイポーラ接合トランジスタの特性
BJTの3つの部分はコレクタ、エミッタ、ベースです。バイポーラ接合トランジスタの特性を知る前に、この種のトランジスタの動作モードについて知っておく必要があります。モードは以下の通りです。
共通ベース（CB）モード
共通エミッタ（CE）モード
共通コレクタ（CC）モード
すべての3つのモードが以下に示されています。
次に、BJTの特性についてですが、異なる動作モードごとに異なる特性があります。特性とは、トランジスタの異なる電流と電圧変数間の関係をグラフ化したものです。p-n-pトランジスタの特性は、異なるモードとパラメータで与えられます。
共通ベース特性
入力特性
p-n-pトランジスタの場合、入力電流はエミッタ電流（IE）であり、入力電圧はコレクタ-ベース電圧（VCB）です。
エミッタ-ベース接合が順方向バイアスされているため、IE対VEBのグラフはp-nダイオードの順方向特性に似ています。VCBが増加すると固定VEBに対するIEも増加します。
出力特性
出力特性は出力電圧と出力電流ICの関係を示します。ICが出力電流であり、コレクタ-ベース電圧とエミッタ電流IEは入力電流であり、パラメータとして機能します。下の図はCBモードのp-n-pトランジスタの出力特性を示しています。
p-n-pトランジスタの場合、IEとVEBは正で、IC、IB、VCBは負です。曲線には3つの領域があり、アクティブ領域、飽和領域、カットオフ領域です。アクティブ領域はトランジスタが通常動作する領域です。
ここでエミッタ接合は逆方向バイアスです。次に、飽和領域はエミッタ-コレクタ接合がどちらも順方向バイアスされている領域です。最後に、カットオフ領域はエミッタとコレクタ接合がどちらも逆方向バイアスされている領域です。
共通エミッタ特性
入力特性
IB（ベース電流）は入力電流、VBE（ベース-エミッタ電圧）はCE（共通エミッタ）モードの入力電圧です。したがって、CEモードの入力特性はIBとVBEの関係であり、VCEはパラメータです。特性は以下の通りです。
典型的なCE入力特性は、p-nダイオードの順方向バイアス特性に似ています。しかし、VCBが増加するとベース幅が減少します。
出力特性
CEモードの出力特性は、ベース電流IBがパラメータであるときのコレクタ電流（IC）とコレクタ-エミッタ電圧（VCE）の間の曲線またはグラフです。特性は以下の図に示されています。
共通ベーストランジスタの出力特性と同様に、CEモードにも3つの領域があります：(i) アクティブ領域、(ii) カットオフ領域、(iii) 飽和領域。アクティブ領域では、コレクタ接合が逆方向バイアスで、エミッタ接合が順方向バイアスです。
カットオフ領域では、エミッタ接合がわずかに逆方向バイアスされており、コレクタ電流は完全にはカットオフされません。最後に、飽和領域では、コレクタとエミッタ接合がどちらも順方向バイアスされています。
