トランジスタはどのように動作するか
トランジスタの動作原理
トランジスタの定義
トランジスタとは、電子信号を増幅または切り替えるために使用される半導体デバイスです。
さまざまな種類のトランジスタがありますが、ここでは共通エミッターモードのNPNトランジスタに焦点を当てます。このタイプは、多くの自由電子（多数キャリア）を含む高濃度で広いエミッター領域を持っています。
コレクタ領域は広く中程度のドープ濃度であり、エミッターと比べて自由電子が少ないです。ベース領域は非常に薄く軽くドープされており、少数の穴（多数キャリア）しかありません。ここで、エミッターとコレクタ間に電池を接続します。トランジスタのエミッタ端子は電池の負極に接続され、エミッターベース接合は順方向バイアスになり、ベースコレクタ接合は逆方向バイアスになります。この状態では、デバイスには電流が流れません。デバイスの実際の動作に入る前に、NPNトランジスタの構造とドープ詳細を思い出しましょう。ここでは、エミッタ領域は広く非常に高濃度でドープされています。そのため、トランジスタのこの領域における多数キャリア（自由電子）の濃度は非常に高いです。
一方、ベース領域は非常に薄く、数マイクロメートルの範囲であり、エミッターやコレクタ領域はミリメートルの範囲です。中間のp型層のドープ濃度は非常に低く、結果としてこの領域には非常に少量の穴しか存在しません。コレクタ領域は広く、ドープ濃度は中程度であり、従ってこの領域には中程度の数の自由電子が存在します。
エミッタとコレクタ間に適用される電圧は2つの場所で落ちます。まず、エミッターベース接合にはシリコントランジスタで約0.7ボルトの順方向バリア電位があります。残りの電圧はベースコレクタ接合で逆方向バリアとして落ちます。
デバイス全体の電圧に関わらず、エミッターベース接合の順方向バリア電位は常に0.7ボルトであり、残りの電源電圧はベースコレクタ接合で逆方向バリア電位として落ちます。
これは、コレクタ電圧が順方向バリア電位を克服できないことを意味します。そのため、エミッター内の自由電子はベースに渡ることができません。結果として、トランジスタはオフスイッチのように動作します。
注：この状態ではトランジスタは理想的には電流を伝導しないため、外部抵抗での電圧降下はなく、全電源電圧（V）が上記の図に示すように接合に落ちます。
次に、デバイスのベース端子に正の電圧を適用するとどうなるかを見てみましょう。この状況では、ベースエミッタ接合は個別に順方向電圧を受け、確かにそれは順方向ポテンシャルバリアを克服し、エミッタ領域の多数キャリアである自由電子が接合を越えてベース領域に移動し、ここで少数の穴と再結合します。
しかし、接合間の電界により、エミッタ領域から移動する自由電子は運動エネルギーを得ます。ベース領域は非常に薄いため、エミッタから来る自由電子は十分な時間がないため再結合せず、逆バイアスされた枯渇領域を通過し、最終的にコレクタゾーンに到達します。ベースコレクタ接合には逆方向バリアがあるため、ベース領域の自由電子は少数キャリアであり、ベースからコレクタへの自由電子の流れを妨げません。
このようにして、電子はエミッタからコレクタへ流れ、コレクタからエミッタへの電流が始まります。ベース領域には少数の穴が存在するため、エミッタ領域から来る一部の電子はこれらの穴と再結合し、ベース電流に貢献します。このベース電流はコレクタからエミッタへの電流よりもはるかに小さいです。
エミッタからの一部の電子はベース電流に貢献し、大部分はコレクタを通ります。エミッタ電流はベース電流とコレクタ電流の合計です。したがって、エミッタ電流はベース電流とコレクタ電流の合計です。
次に、適用されるベース電圧を増やしてみましょう。この状況では、エミッターベース接合に適用される順方向電圧が増加することで、より多くの自由電子がエミッタ領域からベース領域に移動し、より大きな運動エネルギーを持つことになります。これにより、コレクタ電流も比例して増加します。このように、小さなベース信号を制御することで、かなり大きなコレクタ信号を制御することができます。これがトランジスタの基本的な動作原理です。
