バイポーラトランジスタ(BJT)とは：動作原理・構造・応用例

BJTとは

BJTは「ベース(B)」「エミッタ(E)」「コレクタ(C)」の3端子で構成され、ベース電流の大きさでエミッター-コレクタ間の電流を制御します。

小さなベース電流I_Bが流れると、その数十~数百倍のコレクタ電流I_Cが流れます。これがBJTの増幅作用です。

トランジスタとは何か？

動作原理

ここではNPN型BJTを例に説明します。

ベース-エミッタ間電圧(V_BE)を印加しない場合

NPN型BJTはPN接合とNP接合を直列に接合した回路と考えられるため、エミッタ-コレクタ間に電圧をかけても逆バイアスのため電流は流れません(pn接合の整流作用)。

pn接合の電気特性：順方向・逆方向バイアス

ベース-エミッタ間電圧(V_BE)を印加した場合

ベース-エミッタ間電圧V_BEを印加すると、エミッタ-コレクタ間にコレクタ電流I_Cが流れ始めます。BJTの増幅作用の原理は以下の通りです。

なお、実際のデバイス構造ではベースが極めて薄く作られています。キャリアの拡散長さよりもベース厚さが十分に薄い為、エミッタの電子がベースを通過しやすい構造となっています。

電流増幅率α

BJTの電流増幅率αはエミッタ電流I_Eに対するコレクタ電流I_Cで定義されます。

前述の通り、エミッタから注入された電子のほとんどはコレクタに流入することから、α=0.95-0.99と1に近しい値となります(ベースはキャリア拡散長に対し十分薄い為)。

電流増幅率は一般に100-500ですが、大きいものでは100以上の高い増幅率を有するトランジスタも存在します。

バンド図

左図は電圧を印加しない場合のBJTのバンド図です。電圧を印加しない場合、各pn接合には空乏層生成による内蔵電位が発生し、エネルギー障壁が生じていることが分かります。すなわち、電流は流れません。

ベース-エミッタ間電圧V_BEおよびエミッタ-コレクタ間電圧V_ECを印加した場合、エミッタ-ベース間のエネルギー障壁が低下します。エミッタの多数キャリアである電子は拡散により障壁を超え、ベース領域を拡散しコレクタに到達します。すなわち、電流が流れます。

なお、ベース-コレクタ間電圧V_ECはコレクタ側のpn接合に逆バイアスを印加することになるため電子はドリフトされコレクタ側に向かいます。