トランジスターとは

トランジスターの分類を 図-1 に示します。図では、トランジスターを起点としたツリー構造として整理されており、バイポーラ－トランジスター（BJT）、電界効果トランジスター（FET）、絶縁ゲートバイポーラ－トランジスター（IGBT）に分類されます。
以下のFAQにも説明があります。

FAQ: トランジスターにはどのような種類がありますか？

各種トランジスターの簡易構造図と記号を図-2に示します。

• バイポーラ－トランジスター (BJT: Bipolar Junction Transistor)
  NPN BJTはn層であるコレクターとエミッターにp層のベースが挟まれる形となります。PNP BJTはp層であるコレクターとエミッターにn層のベースが挟まれる形となります。
  直流電流増幅率h_FEを高くするために、ベースは非常に薄く、また不純物濃度は コレクター < ベース << エミッター となります。
  バイポーラ－トランジスター（BJT）の記号と簡易構造図を図-2 (a)に示します。図中の簡易構造図では、例えば NPN 型では薄い P 層のベースを N 層のエミッターおよびコレクターで挟んだ形として表現していますが、これは動作原理を理解しやすくするための模式図であり、実際の BJT の物理構造がそのまま表現されているわけではありません。

• MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
  N-ch MOSFETはp層の中に、n層であるドレインとソースが埋め込まれているような形となります。 (縦構造もありますが、ここでは基本となる横構造で説明します。) 制御端子となるゲートはn層の直上にドレインとソースのp層の一端に被さる形で絶縁膜 (酸化膜) を形成し、その上にゲート電極を配置しています。従って、ゲートはDC的に絶縁されています。ゲートに電圧を印加すると絶縁膜と接するp層に電流の経路が形成されn層であるドレインとソースが電気的に接続されます。このようにp層にn層と同等の経路 (チャネル) が形成されることからnチャネルと (N-ch) MOSFETと呼ばれます。P-ch MOSFETも同様で、 n層の中にp層であるドレインとソースが埋め込まれているような形となります。ゲート電極はドレインとソースのn層の一端に被さる形でp層の直上に絶縁膜を通して配置されています。
  MOSFET の記号と簡易構造図を図-2 (b)に示します。図では、横型構造の断面図として N‑ch MOSFET および P‑ch MOSFET を示しており、N‑ch MOSFET では P 型基板、P‑ch MOSFET では N 型基板を用いた構造となっています。基板中にソース(S)およびドレイン(D)を形成し、その上に絶縁膜を介してゲート(G)を配置することで、ゲート電圧によってドレイン・ソース間の導通状態を制御します。

• JFET (Junction Field Effect Transistor)
  N-ch JFETはドレインとソースとなるn層にゲートであるp層を埋め込む形となります。接合 (ジャンクション) を形成するn層とp層は逆バイアスで使用されるため、p層からn層に電流は流れません。電流の経路がn層であるためnチャネル (N-ch) と呼ばれます。このn層は抵抗体として動作しています。ゲートに電圧を印加すると、電圧に比例して空乏層が伸びてゲート間の電流の経路を狭め抵抗値が大きくなります。
  JFET の記号と簡易構造図を図-2 (c)に示します。例えば N‑ch JFET の場合、N 層を基板として、その上下に P 層を配置する構造として表現されます。ただし、この構造図は JFET の動作原理を理解しやすくすることを目的とした模式図であり、実際のデバイス構造とは一部異なっています。ゲート（G）によってチャネル幅を制御する点が JFET の特徴です。

• IGBT
  IGBTはMOSFETとBJTの特徴をあわせ持つデバイスです。入力部はスイッチングが早くドライブ電流が少ないMOSFET構造、出力部は高電流高耐圧が可能なBJT構造となっています。このためBJTに比べ高速スイッチングスピードで、MOSFETに比べ高耐圧、低オン抵抗のデバイスを実現しています。
  IGBT の記号と簡易構造図を図-2 (d)に示します。図では、N‑ch IGBT を例に、等価回路およびその等価回路を重ねて表現した簡易構造図を示しています。IGBT は N‑ch MOSFET を基本構造とし、出力段にバイポーラ－トランジスターの要素を組み合わせた構成を持つデバイスであり、MOSFET の高速スイッチング特性と、バイポーラ－トランジスターの低オン電圧特性を併せ持つ点が特徴です。

BJTの動作を少しだけ物性的に考えてみます。トランジスターはベース電流を増幅してコレクター電流を流す電流制御型素子ですが、ここではベース電流ではなくベースにかかる電圧で説明します。NPNトランジスターのエネルギーバンド図を図-5に示します。図-5では、無バイアス時とベース・エミッター間に順バイアスを印加した場合の状態を示しています。無バイアス時には、エミッターとベースの pn 接合に形成されるエネルギー障壁により、エミッター中の自由電子はベース側へ移動できず、コレクター・エミッター間に電流は流れません。一方、ベース・エミッター間に順バイアスを印加すると、このエネルギー障壁が低下し、エミッター中の自由電子の一部がベースを越えてコレクター側へ流れ込みます。これが コレクター電流となります。

NPNトランジスターのエミッター・ベース・コレクターの不純物濃度をそれぞれN_E・N_B・N_Cとすると、N_E >> N_B > N_C となります。この不純物濃度に比例して、自由電子または正孔が存在します。また、各自由電子の持つエネルギーは、フェルミ分布 (フェルミディラック分布) に従います。
無バイアス状態では各pn接合には空乏層生成による内蔵電位 (エミッターの伝導帯 (Conduction band) の最下限とベースの伝導帯の最下限までのエネルギー差) が発生し、エネルギー障壁が生じています。エミッターの電子はこの障壁を超えることができず、コレクター・エミッター間に電流は流れません。
図-3に示す回路でベース・エミッター間に順バイアス (オン電圧より高いV_BE) を印加するとエネルギー障壁が下がり、エミッターにある自由電子の一部は障壁を超えてベースに拡散します。同時にベースにはベース電流として正孔が注入されます。ただし、N_E >> N_B なので、エミッターから拡散される自由電子の数はベースの正孔の数よりはるかに多い状態です。拡散してきた自由電子の一部はホールと再結合しますが、自由電子の数に対してホールの数が少ないこと (ベース・コレクターの不純物濃度差)、ベースの厚 (幅) が薄いため、そのほとんどがベース・コレクター間の電界によってドリフトしコレクターに流入することになります。これがコレクター電流となります。

• MOSFET
  N‑ch MOSFET の最も簡素なバイアス回路の例を図‑6に示します。図では、ゲート・ソース間にバイアス電圧 V_GS を印加し、ドレイン・ソース間にバイアス電圧 V を印加する構成としています。ゲート電圧 V_GS によってチャネルが形成されますが、ゲートは絶縁されているためゲート電流は流れません。このため、BJT のように電流制限を目的とした抵抗は不要です。ただし、立ち上がりタイミングの調整や発振防止を目的として、ゲートに抵抗を挿入する場合があります。
  ゲート・ソース間にしきい値以上の電圧 (V_GS) を印加するとドレイン・ソース間が小さな抵抗値R_{DS (ON)} で導通しMOSFETはオンします。V_GSがしきい値以下になるとドレイン・ソース間は非導通となりオフします。MOSFETのゲート端子は絶縁されているので、オフさせる場合にゲート電圧がなかなか下がらず時間がかかることがあります。このような場合、ゲート・ソース間に抵抗を挿入することがあります。

N‑ch MOSFET におけるバイアス状態とV_GS印加時の反転層の形成を図‑7に示します。図では、無バイアス状態（V_GS＝0 V）、しきい値電圧未満の順バイアス状態（V_GS＜V_T）、および しきい値電圧以上の順バイアス状態（V_GS≧V_T） の 3 つの状態を断面図で示しています。簡単のため、ここではドレイン（D）とソース（S）は外部で短絡された状態としています。短絡しない状態については、以下のFAQを参照してください。

FAQ：MOSFETの動作原理と仕組み｜遮断・線形・飽和領域をわかりやすく解説

無バイアス時には、ゲート直下の P 型基板に大きな変化はありませんが、V_GS＜V_T では空乏層が形成されます。さらに V_GS≧V_T になると、ゲート直下に反転層が形成され、この反転層がドレインとソースを電気的に接続するチャネルとなります。
N型半導体は電子が過多、P型半導体は正孔が過多となっています。ゲート・ソース間に電圧 (V_GS) を印加するとゲート電極とその直下のP型半導体はコンデンサーと同様の働きをします。ここでゲート・ソース間に電圧を印加すると電極板側はプラスに帯電し、P型半導体側はマイナスに帯電します (電子が集まり電子過多の状態)。つまり、ゲート直下のP型半導体表面 にはマイナスの電荷が集められ自由電子が多い状態となります。この状態はP型半導体でありながらN型半導体と同じ性質を持つことから、反転層と呼ばれます。
無バイアス状態からゲートに電圧V_GSを印加します。まず、反転層形成前にゲート電極と対抗するP型半導体の正孔が消滅し、空乏層が生じます。しきい値電圧V_Tと呼ばれる電圧に達すると、反転層が形成されます。ソースとドレインはこの反転層で接続されることになります。この反転層をチャネルと呼び、この例の場合、N型のチャネルなのでN-ch MOSFETとなります。

このようにMOSFETはOFFからONへの遷移時に、このコンデンサーの充電電流が必要ですが、オンしてしまえば、BJTのベース電流のような電流は必要ないので、省電力化が可能となります。 (ただし、電力用途のMOSFETなどでは寄生のコンデンサー容量が大きく、この容量を急速に充電しオンさせるためにドライブ回路が必要です)

• JFET
  動作モードとしてはエンハンスメント型 (ゲート・ソース間の電圧が0Vの時には電流が流れない) とデプレッション (ディプリーション型) (ゲート・ソース間の電圧が0Vの時に電流が流れる) があります。
  以下デプレッション型の動作を説明します。
  N-ch JFETはN型半導体にゲートとしてP型半導体を埋め込んだ形となっています。ゲートとドレイン・ソース間にはpn接合が形成されています。この接合は逆バイアスの状態で使用されます。
  N‑ch JFET におけるバイアス状態と空乏層の変化を図‑8に示します。図では、最も簡素な動作回路とともに、無バイアス時およびバイアス印加時の断面図を示しています。ゲート・ソース間電圧 V_GS が大きくなるにしたがって、ゲート接合部に形成される空乏層が広がり、チャネル幅が次第に狭まっていく様子を示しています。
  ゲート・ソース間にV_G＜V_Sとなるように逆バイアスV_GSを印加していくと、空乏層が伸びてチャネルが狭まります。これによって電流の流れは阻害される (抵抗を持つ) ようになります。さらに逆バイアスを大きくすると、チャネルは空乏層によって遮断されます。

• IGBT
  IGBTはN-ch MOSFETのドレイン (n層) にp層を追加しコレクターとしたデバイスです。入力部はスイッチングが早くドライブ電流が少ないMOSFET構造、出力部は高電流高耐圧が可能なBJT構造を持つのデバイスです。このことでBJTに比べ高スピードで、MOSFETに比べ高耐圧、低オン抵抗のデバイスを実現しています。
  IGBT のオン時における電流の流れを図‑9に示します。（a）は回路図、（ｂ）は構造図にIGBTの等価回路を重ねた図、（ｃ）はオン状態における電流経路を示した構造図を示しています。ゲート・エミッター間に電圧が印加されると、入力段である MOSFET がオンし、これにより出力段のバイポーラ－トランジスターが動作します。オン時の電流経路を矢印で示しています。動作に関して詳しくは以下のFAQを参照してください。
  
  FAQ: IGBTとは
  
  図-9バイアス回路に示すように、、ゲート（G）・エミッター（E）間に電圧V_GE、コレクター（C）・エミッター（E）間に電圧V_CEを印加します。この時、V_GEがN-ch MOSFETのしきい値以上であれば、MOSFETはオンします。これによって、PNPトランジスターのベースがエミッターと等電位となり、PNPトランジスターがオンして、コレクター電流I_Cが流れます。
  V_GEがN-ch MOSFETのしきい値より下がれば、オフになります。ただし、IGBTはオフになるまでにテール電流と呼ばれる電流がある期間流れます。これはオン時にオン抵抗を低減する電導度変調効果によります。

東芝のBJT・MOSFETは小型のパッケージからパワー用途のパッケージまで多種多様なパッケージを展開しています。小型の製品では2in1などの複合タイプも提供しています。