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。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。

• 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。

• 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。

• 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。

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。
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の場合、図-6に示すようにバイアスを印加して使用します。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。

図7に示すようにN-ch MOSFETはP型半導体にソースとドレインとなるN型半導体が埋め込まれた形になっています。
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。
  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。等価回路としては図-9のバイアス回路の赤枠で囲った回路となります。また、構造図に等価回路を重ねた図を合わせて示します。このように、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構造を持つデバイスとなります。つまり、MOSFETの利点を生かしつつ、弱点であるオン抵抗をバイポーラデバイスの伝導度変調効果を利用して改善しています。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。
  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、内蔵のMOSFETはオンしドレイン電流IDが流れ、IGBTはオンします。
  図-9等価回路上のPNPトランジスターのIC電流はほとんど流れない構成になっており、ほとんどの電流がPNPトランジスターのエミッターからゲートに流れます。このPNPトランジスターの動作によって、オン時にPNPトランジスターのエミッター (IGBTのC) から多数キャリアーである正孔がN-層 (PNPトランジスターのベース) に供給されます。これと同時に、電気的な均衡を保つためにIGBTのEであるN層からMOSFETを通して電子も供給されます。このため、N-層は多量な正孔と自由電子が存在することになり、伝導率が高まりオン抵抗が改善します。このことを伝導度変調効果と言います。
  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。

伝導度変調については、以下のFAQを参考にしてください。

• 伝導度変調とは何ですか?
• IGBTのテール電流とは何ですか?

トランジスターはあらゆる電子機器に使用され、主に電気信号をスイッチ (オン/オフ) する回路や増幅させる回路に使用されます。スイッチとしてはロジック信号レベル (～5V) 程度でオン/オフさせる回路やスイッチング電源などがあります。増幅回路も単なる信号の増幅だけでなく発振回路などにも使用されます。このようにトランジスターは広範囲に使用されてています

これらの回路にはＢJTとMOSFETのどちらも使用される可能性があります。その回路でどの特性 (スピード、損失、ゲインなど) を重要視するか、どの電圧・電流・周波数で使用するかによって、その選択は変わってきます。
参考のために、それぞれのデバイスに関係するキーワードを列挙しておきます。

• MOSFET: 省電力、高速スイッチング、入力インピーダンスが高い
• BJT: アナログ (リニアリティー・高ゲイン)、低ノイズ、低電圧 (オン電圧0.7V程度) でオン

いくつかの回路例を下記に示します。

スイッチング電源に興味のある方は、以下の動画も参考にしてください
[教育] スイッチング電源の基礎 (5) ～フルブリッジコンバーター～
[教育] スイッチング電源の基礎 (6) ～DCDCコンバーターについて～
[教育] スイッチング電源の基礎 (7) ～共振ハーフブリッジコンバーター～
[教育] スイッチング電源の基礎 (8) ～ブリッジレスPFC～

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。