トランジスタを増幅器として使用する

トランジスタの定義

トランジスタは、3つの端子（エミッタ、ベース、コレクタ）と2つの接合部（ベース-エミッタ、ベース-コレクタ）を持つ半導体デバイスとして定義されます。

トランジスタは、エミッタ（E）、ベース（B）、コレクタ（C）の3つの端子を持つ半導体デバイスです。このデバイスには、ベース-エミッタ（BE）とベース-コレクタ（BC）の2つの接合部があります。トランジスタは、カットオフ（完全にオフ）、アクティブ（増幅）、サチュレーション（完全にオン）の3つの領域で動作します。

トランジスタがアクティブ領域で動作する場合、入力信号の強度を大幅な変化なしに増幅する増幅器として機能します。これは電荷キャリアの動きによるものです。npn双極性接合トランジスタ（BJT）がアクティブ領域で動作するようにバイアスされている場合、BE接合は順方向バイアスされ、BC接合は逆方向バイアスされます。

npnトランジスタでは、エミッタは高濃度ドープ、ベースは低濃度ドープ、コレクタは中程度のドープされています。ベースは狭く、エミッタは広く、コレクタは最も広いです。

ベースとエミッタ端子間の順方向バイアスにより、小さなベース電流（IB）がベース領域に流れます。この電流は通常、VBEが約0.6 Vであるため、マイクロアンペア（μA）の範囲です。

この過程は、電子がベース領域から流出するか、または穴が注入されることによって見ることができます。注入された穴はエミッタからの電子を引き寄せ、穴と電子の再結合を引き起こします。

しかし、エミッタよりもベースの方がドーピングが少ないため、電子の方が穴よりも多くなります。したがって、再結合効果があっても、多くの自由電子が残ります。これらの電子は、ベース領域を横切り、コレクタ端子に向かって移動します。これは、コレクタとベース間のバイアスによって影響を受けます。

これがコレクタ電流ICとしてコレクタに入ることになります。これにより、ベース領域に流れる電流（IB）を変えることで、コレクタ電流ICを大きく変化させることができます。これは電流増幅であり、npnトランジスタがアクティブ領域で動作すると電流増幅器として機能することが示されます。関連する電流利得は数学的に以下のように表現できます。

次に、npnトランジスタについて考えると、そのベースとエミッタ端子間に入力信号が適用され、出力はコレクタとベース端子間に接続された負荷抵抗RCに集められます。これは図2に示されています。

次に、npnトランジスタについて考えると、そのベースとエミッタ端子間に入力信号が適用され、出力はコレクタとベース端子間に接続された負荷抵抗RCに集められます。これは図2に示されています。

さらに、適切な電圧供給V EEとVBCを使用することで、トランジスタが常にアクティブ領域で動作することを確認します。ここでは、入力回路の抵抗が低い（順方向バイアス条件のため）ため、入力電圧Vinの小さな変化がエミッタ電流IEを大きく変化させます。

これは、考慮中のケースではベース電流の大きさが非常に小さいため、ほぼ同じ範囲でコレクタ電流が変化することを意味します。この大きなICの変化は、負荷抵抗RCに大きな電圧降下を引き起こし、これが出力電圧となります。

したがって、装置の出力端子間で入力電圧の増幅版を得ることができ、この回路が電圧増幅器として機能することが示されます。この現象に関連する電圧利得の数学的表現は以下の通りです。

上記の説明はnpn BJTに対して行われましたが、pnp BJTでも同様の類推が成り立ちます。同様の理由で、他の種類のトランジスタ、例えば場効果トランジスタ（FET）の増幅作用を説明することができます。さらに、トランジスタの増幅回路には多くのバリエーションがあり、

第1セット: 共通ベース/ゲート構成、共通エミッタ/ソース構成、共通コレクタ/ドレイン構成

第2セット: クラスA増幅器、クラスB増幅器、クラスC増幅器、クラスAB増幅器

第3セット: 単段増幅器、多段増幅器など。ただし基本的な動作原理は同じです。