電子回路 Ⅰ 　第２回 (2007/10/22)

電子回路Ⅰ　第２回(2007/10/22) バイポーラトランジスタの動作原理

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

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), ・・・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

Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 固体中の電子（絶対ゼロ度）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 • 安定な結合になるためには4つのSi原子と電子のやり取りをする • 結合に使われている電子は動けない

Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 固体中の電子（室温）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

金属、半導体、絶縁体の違い 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金属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

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

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

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

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

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

pn接合の電流 p（アノード） n（カソード）電位電位の障壁 pに+, nに－（順バイアス） pに－, nに+（逆バイアス） p n p n 電位電位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

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

バイポーラトランジスタの構造 • pnp型とnpn型 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）

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

トランジスタの型番 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登録番号用途

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

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

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

トランジスタを流れる電流 （理想的にはゼロ）

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

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

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

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　

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