トランジスタ - トランジスタの特性のソースを表示

== 概要 ==
ここでは、以下に示すトランジスタの特性について記載する。<br>
* 出力特性(I<sub>C</sub>-V<sub>CE</sub>特性)と飽和領域、活性領域、遮断領域
* 入力特性(I<sub>B</sub>-V<sub>BE</sub>特性)
* I<sub>C</sub>-V<sub>BE</sub>特性
* 電流伝達特性(I<sub>C</sub>-I<sub>B</sub>特性)
* h<sub>FE</sub>-I<sub>C</sub>特性
<br><br>

== 出力特性(I<sub>C</sub>-V<sub>CE</sub>特性) ==
==== 出力特性(I<sub>C</sub>-V<sub>CE</sub>特性)とは ====
トランジスタの出力特性(I<sub>C</sub>-V<sub>CE</sub>特性)とは、エミッタ接地トランジスタの静特性において、<br>
あるベース電流I<sub>B</sub>を流している状態で、コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>とコレクタ電流I<sub>C</sub>の関係を表した特性のことである。<br>
<br>
コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>がある一定値を超えるまでは、コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>が増加するとコレクタ電流I<sub>C</sub>が増加するが、<br>
コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>がある一定値を超えると、コレクタ電流I<sub>C</sub>はコレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>によらず、ベース電流I<sub>B</sub>に依存する値となる。<br>
[[ファイル:ErectricParts_Transistor_Characteristic_1.jpg|フレームなし|中央]]
<br>
==== トランジスタの飽和領域、活性領域、遮断領域について ====
トランジスタの出力特性(I<sub>C</sub>-V<sub>CE</sub>特性)には、3つの領域(飽和領域、活性領域、遮断領域)がある。<br>
<br>
トランジスタをスイッチとして使用する場合は、飽和領域(スイッチがオンの状態)と遮断領域(スイッチがオフの状態)を利用する。<br>
トランジスタをアンプとして使用する場合は、活性領域を利用する。<br>
[[ファイル:ErectricParts_Transistor_Characteristic_2.jpg|フレームなし|中央]]
<br>
次に、3つの領域(飽和領域、活性領域、遮断領域)について順番に記載する。<br>
<br>
===== 飽和領域 =====
飽和領域とは、ベース電流I<sub>B</sub>を大きくしてもコレクタ電流I<sub>C</sub>が増加しない領域であり、出力特性(I<sub>C</sub>-V<sub>CE</sub>特性)の青色の箇所となる。<br>
出力特性(I<sub>C</sub>-V<sub>CE</sub>特性)の見方によって様々な説明方法があるため、コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>が小さくてもコレクタ電流I<sub>C</sub>が流れる領域と説明している専門書も存在する。<br>
<br>
トランジスタをスイッチとして使用する場合、スイッチをオン状態にするためには、ベース電流を多く流してコレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>が最小電圧となる箇所を使用する。<br>
(この最小電圧のことをコレクタ飽和電圧V<sub>CE(sat)</sub>と呼び、コレクタ飽和電圧V<sub>CE(sat)</sub>はデータシートに記載されている)<br>
これは、コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>を小さくすることで、オン状態における損失(<math>P_{LOSS} = V_{CE} \times I_C</math>)が小さくなるからである。<br>
<br>
===== 活性領域 =====
活性領域とは、ベース電流I<sub>B</sub>が一定ならコレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>によらずコレクタ電流I<sub>C</sub>が一定となる領域であり、出力特性(I<sub>C</sub>-V<sub>CE</sub>特性)の赤色の箇所となる。<br>
つまり、活性領域では、コレクタ電流I<sub>C</sub>はコレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>ではなく、ベース電流I<sub>B</sub>で決まる。<br>
<br>
トランジスタをアンプとして使用する場合、この活性領域を利用する。<br>
また、活性領域では、コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>によらずコレクタ電流I<sub>C</sub>が一定となるため、一定の電流を流す電流源としても利用される。<br>
<br>
出力特性(I<sub>C</sub>-V<sub>CE</sub>特性)の傾きがコレクタ抵抗R<sub>C</sub>となる。<br>
コレクタ抵抗R<sub>C</sub>は、下式で表される。<br>
<math> R_C = \frac{\Delta V_{CE}}{\Delta I_C}</math><br>
<br>
コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>を大きくしてもコレクタ電流I<sub>C</sub>は大きく変化しないことから、活性領域ではコレクタ抵抗R<sub>C</sub>は非常に大きな値ということになる。<br>
<br>
===== 遮断領域 =====
遮断領域とは、ベース電流I<sub>B</sub>が0[A]でもコレクタ電流I<sub>C</sub>が0[A]とならず漏れ電流がわずかに流れる領域であり、出力特性(I<sub>C</sub>-V<sub>CE</sub>特性)の緑色の箇所となる。<br>
この漏れ電流のことを、コレクタ遮断電流I<sub>CEO</sub>と言う。(また、コレクタ遮断電流I<sub>CEO</sub>は、コレクターエミッタ間遮断電流とも呼ばれる)<br>
<br>
コレクタ遮断電流I<sub>CEO</sub>の値が小さければ小さいほど特性の良いトランジスタである。<br>
なお、コレクタ遮断電流I<sub>CEO</sub>はデータシートには最大値のみが記載されている。<br>
<br>
<u>※補足</u><br>
<u>遮断領域では、トランジスタをスイッチとして使用する場合、トランジスタのスイッチがオフの状態である。</u><br>
<u>遮断領域は、コレクタ遮断領域とも呼ばれる。</u><br>
<br>
===== その他 : トランジスタの出力アドミタンス =====
トランジスタを使用する時、h定数と呼ばれるものを用いることがある。
h定数には、出力アドミタンスh<sub>OE</sub>、電流増幅率h<sub>FE</sub>、入力インピーダンスh<sub>IE</sub>、電圧帰還率h<sub>RE</sub>がある。<br>
<br>
ここで、出力特性(I<sub>C</sub>-V<sub>CE</sub>特性)と関係があるのは、出力アドミタンスh<sub>OE</sub>である。<br>
出力アドミタンスh<sub>OE</sub>とは、出力特性(I<sub>C</sub>-V<sub>CE</sub>特性)の曲線の傾きのことであり、コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>の変化に対するコレクタ電流I<sub>C</sub>の変化の逆数で、下式となる。<br>
<math>h_{OE} = \frac{\Delta I_C}{\Delta V_{CE}} \mbox {[S]}</math><br>
<br>
なお、単位はS(ジーメンス)である。<br>
<br><br>

== 入力特性(I<sub>B</sub>-V<sub>BE</sub>特性) ==
==== 入力特性(I<sub>B</sub>-V<sub>BE</sub>特性)とは ====
<u>トランジスタの入力特性(I<sub>B</sub>-V<sub>BE</sub>特性)とは、コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>を一定とした時における、</u><br>
<u>ベース電流I<sub>B</sub>とベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>の特性のことである。</u><br>
[[ファイル:ErectricParts_Transistor_Characteristic_3.jpg|フレームなし|中央]]
<br>
ベースとエミッタ間はPN接合となるため、ダイオードの順方向電圧特性(I<sub>F</sub>-V<sub>F</sub>特性)と同じになる。<br>
<br>
シリコンを素材としたシリコントランジスタの場合、ベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>が0.6～0.8[V]以上になると、ベース電流I<sub>B</sub>が大きく変化する。<br>
ゲルマニウムを素材としたゲルマニウムトランジスタの場合、ベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>が0.2～0.3[V]以上になると、ベース電流I<sub>B</sub>が大きく変化する。<br>
<br>
==== 入力特性(I<sub>B</sub>-V<sub>BE</sub>特性)における温度特性 ====
<u>トランジスタの入力特性(I<sub>B</sub>-V<sub>BE</sub>特性)は、温度によって変化する。</u><br>
データシート上には、温度が-55[℃]、-40[℃]、-25[℃]、25[℃]、100[℃]など異なる温度の時のI<sub>B</sub>-V<sub>BE</sub>特性が記載されている。<br>
<br>
<u>入力特性(I<sub>B</sub>-V<sub>BE</sub>特性)において、温度が高くなると特性は左側にシフトする。</u><br>
すなわち、温度が高くなると、同じベース電流I<sub>B</sub>を流すために必要なベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>が減少する。<br>
<br>
下図は、東芝製2SC1815の入力特性(I<sub>B</sub>-V<sub>BE</sub>特性)である。<br>
コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>が6[V]、温度が-25[℃]、25[℃]、100[℃]の時の特性が記載されており、温度が高くなると特性は左側にシフトしていることが分かる。<br>
[[ファイル:ErectricParts_Transistor_Characteristic_4.jpg|フレームなし|中央]]
<br><br>

== I<sub>C</sub>-V<sub>BE</sub>特性 ==
==== I<sub>C</sub>-V<sub>BE</sub>特性とは ====
I<sub>C</sub>-V<sub>BE</sub>特性とは、エミッタ接地トランジスタの静特性で、コレクタ電流I<sub>C</sub>とベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>の関係を表した特性である。<br>
I<sub>C</sub>-V<sub>BE</sub>特性は、ベース電流I<sub>B</sub>とベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>の関係を表したV<sub>BE</sub>-I<sub>B</sub>特性と同じ形であり、<br>
コレクタ電流I<sub>C</sub>は、ベース電流I<sub>B</sub>のh<sub>FE</sub>倍となる。<br>
[[ファイル:ErectricParts Transistor Characteristic 5.jpg|フレームなし|中央]]
<br>
<u>※補足</u><br>
<u>ベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>とは、トランジスタのベース-エミッタ間に生じる電圧のことである。</u><br>
<u>ベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>はベース電流依存性を持っており、ベース電流I<sub>B</sub>が多いほどベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>が高くなる。</u><br>
<br>
<u>ベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>がある電圧を超えると、コレクタ電流I<sub>C</sub>が流れ始める。</u><br>
<u>この時、コレクタ電流I<sub>C</sub>は、ベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>の増加に対して、指数eのべき乗の関数で増加する。</u><br>
<math>
\begin{align}
I_{C} &= I_{S}(\exp(\frac{V_{BE}}{V_{T}}) - 1) \\
      &= I_{S}(\exp(\frac{qV_{BE}}{kT}) - 1)
\end{align}
</math><br>
<u>ここで、I<sub>S</sub>はトランジスタの品種によって決まる逆方向飽和電流[A]、qは電子の電荷[C]、kはボルツマン定数、Tは絶対温度[K]、</u><br>
<u>VBEはベース-エミッタ間電圧、VT(=q/kT)は半導体の物性で求まり27[℃](300[K])において約26[mV]となる。</u><br>
<br>
==== I<sub>C</sub>-V<sub>BE</sub>特性の温度特性 ====
I<sub>C</sub>-V<sub>BE</sub>特性は温度によって変化する。<br>
データシート上には、温度が-55[℃]、-40[℃]、-25[℃]、25[℃]、100[℃]、125[℃]等の異なる温度の時のI<sub>C</sub>-V<sub>BE</sub>特性が記載されている。<br>
<br>
I<sub>C</sub>-V<sub>BE</sub>特性は、温度が高くなると、特性は左側にシフトする。<br>
すなわち、温度が高くなると、同じコレクタ電流I<sub>C</sub>を流すために必要なベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>が減少する。<br>
また、ベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>が一定の時は、温度が高いほどコレクタ電流I<sub>C</sub>が流れる。<br>
<br>
一般的に、ベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>は1[℃]が上がると、約2[mV]が下がると言われている。(-2[mV]/[℃])<br>
例えば、温度が30[℃]変化すると、ベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>が60[mV]変化する。<br>
ベース-エミッタ間電圧V<sub>BE</sub>は約0.6[V]なので、温度が30[℃]変化すると、ベース-エミッタ間電圧VBEが約10[%]も変化する。<br>
これは、精度を求められる回路では全く無視できない数字となる。<br>
<br><br>

== 電流伝達特性(I<sub>C</sub>-I<sub>B</sub>特性) ==
==== 電流伝達特性(I<sub>C</sub>-I<sub>B</sub>特性)とは ====
トランジスタの電流伝達特性(I<sub>C</sub>-I<sub>B</sub>特性)とは、コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>を一定とした時、コレクタ電流I<sub>C</sub>とベース電流I<sub>B</sub>の関係を表した特性のことである。<br>
<br>
下図のように、コレクタ電流I<sub>C</sub>がある一定値(IC1)を超えるまでベース電流I<sub>B</sub>が増えると、コレクタ電流I<sub>C</sub>は比例して増加するため、特性の形は「線形」になる。<br>
また、その比例定数は 直流電流増幅率h<sub>FE</sub>となるため、式で表すと<br>
<math>I_{C} = h_{FE} \times I_{B}</math><br>
となる。<br>
[[ファイル:ErectricParts Transistor Characteristic 6.jpg|フレームなし|中央]]
<br>
直流電流増幅率h<sub>FE</sub>は、一般的に、数十～数百の値なので、ベース電流が10[μA]オーダーで変化すると、コレクタ電流I<sub>C</sub>はmAオーダーで変化する。<br>
一方、コレクタ電流I<sub>C</sub>がある一定値を超えた時、ベース電流I<sub>B</sub>を増やしても、コレクタ電流I<sub>C</sub>が増加しなくなる。<br>
これが、トランジスタの飽和である。<br>
<br>
また、トランジスタのデータシートを見ると、直流電流増幅率h<sub>FE</sub>とコレクタ電流I<sub>C</sub>の関係を表したh<sub>FE</sub>-I<sub>C</sub>特性がある。<br>
下図に、2SC1815の<u>h<sub>FE</sub>-I<sub>C</sub></u>特性を示す。<br>
[[ファイル:ErectricParts Transistor Characteristic 7.jpg|フレームなし|中央]]
<br>
この特性より、コレクタ電流I<sub>C</sub>はある一定値までは、直流電流増幅率h<sub>FE</sub>がほぼ一定なので、<math>I_{C} = h_{FE} \times I_{B}</math>より、<br>
ベース電流I<sub>B</sub>とコレクタ電流I<sub>C</sub>は比例関係にある。<br>
しかし、コレクタ電流I<sub>C</sub>がある一定値を超えると、直流電流増幅率h<sub>FE</sub>が減少するため、ベース電流I<sub>B</sub>が増加しても、<math>I_{C} = h_{FE} \times I_{B}</math>より、<br>
コレクタ電流I<sub>C</sub>が増加しなくなる。<br>
<br>
<u>※補足</u><br>
* <u>トランジスタをスイッチとして使用する場合</u>
*: <u>ベース電流I<sub>B</sub>を増やしても、コレクタ電流I<sub>C</sub>が増加しなくなる領域(飽和領域という)を用いる。</u>
<br>
* <u>トランジスタをアンプとして使用する場合</u>
*: <u>ベース電流I<sub>B</sub>とコレクタ電流I<sub>C</sub>は比例関係となる領域(活性領域という)を用いる。</u>
<br>
* <u>その他</u>
*: <u>直流電流増幅率はh<sub>FE</sub>ではなくβ(ベータ)で表すこともある。</u>
*: <u>一方、交流電流増幅率は、小信号電流増幅率h<sub>fe</sub>(<math>= \frac{\Delta I_{c}}{\Delta I_{b}}</math>)で表す。</u>
*: <u>直流電流増幅率h<sub>FE</sub>は同一型番のトランジスタでもバラツキが大きいため、設計の際には注意が必要となる。</u>
*: <br>
*: <u>直流電流増幅率のh<sub>FE</sub>は、Hybrid Forward Emitterの略である。</u>
<br><br>

== hFE-IC特性 ==
==== hFE-IC特性とは ====
トランジスタのh<sub>FE</sub>-I<sub>C</sub>特性とは、直流電流増幅率h<sub>FE</sub>とコレクタ電流I<sub>C</sub>の関係を表した特性のことである。<br>
[[ファイル:ErectricParts Transistor Characteristic 8.jpg|フレームなし|中央]]
<br>
直流電流増幅率h<sub>FE</sub>は、トランジスタのベース電流I<sub>B</sub>とコレクタ電流I<sub>C</sub>の比率であり、以下の式で表される。<br>
<math>h_{FE} = \frac{I_{C}}{I_{B}}</math><br>
<br>
直流電流増幅率h<sub>FE</sub>の値は様々であり、一般的な値は100～500程度で、小さいものだと10程度、大きいものでは1000程度のものもある。<br>
<br>
例えば、直流電流増幅率h<sub>FE</sub>が100のトランジスタの場合、100[mA]のコレクタ電流I<sub>C</sub>を流すには1[mA]のベース電流I<sub>B</sub>が必要ということになる。<br>
言い換えると、わずか1[mA]のベース電流IBの変化で100[mA]もコレクタ電流I<sub>C</sub>を制御できるのがトランジスタの特徴である。<br>
<br>
また、トランジスタのh<sub>FE</sub>-I<sub>C</sub>特性は、温度とコレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>によって変化する。<br>
<br>
次のセクションに、この温度特性について記載する。<br>
<br>
==== h<sub>FE</sub>-I<sub>C</sub>特性の温度特性 ====
h<sub>FE</sub>-I<sub>C</sub>特性は、トランジスタのデータシートに記載されている。<br>
下図は、2SC1815のh<sub>FE</sub>-I<sub>C</sub>特性である。<br>
温度やコレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>を振った時の特性が記載されている。<br>
(温度を100[℃]、25[℃]、-25[℃]と振った時と、コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>を1[V]、5[V]と振った時のh<sub>FE</sub>-I<sub>C</sub>特性となっている)<br>
[[ファイル:ErectricParts Transistor Characteristic 9.jpg|フレームなし|中央]]
<br>
直流電流増幅率h<sub>FE</sub>は、温度によって大きく変化し、温度が高いほど直流電流増幅率h<sub>FE</sub>は大きくなる。<br>
<br>
例として、コレクタ電流I<sub>C</sub>が10[mA]の箇所を見ると、<br>
温度が25[℃]の時の直流電流増幅率h<sub>FE</sub>は150であるが、温度が-25[℃]の時の直流電流増幅率h<sub>FE</sub>は100となっている。<br>
<br>
そのため、トランジスタが動作するギリギリの設計をした場合、高温の時は動作して、低温の時は動作しないことが起きるので注意すること。<br>
低温の環境で動作させる場合は、直流電流増幅率h<sub>FE</sub>が低下しても問題が生じないような工夫が必要となる。<br>
<br>
==== h<sub>FE</sub>-I<sub>C</sub>特性のコレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>特性 ====
直流電流増幅率h<sub>FE</sub>は、コレクタ電流I<sub>C</sub>とコレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>の値によって変化する。<br>
<br>
下図は、2SC1815のh<sub>FE</sub>-I<sub>C</sub>特性である。<br>
<br>
温度が25[℃]の時の特性を見ると、コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>が5[V]の時(実線の時)は、<br>
コレクタ電流I<sub>C</sub>が100[mA]になるまで直流電流増幅率h<sub>FE</sub>は低下していない。<br>
<br>
一方、コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>が1[V]の時(点線の時)は、<br>
コレクタ電流I<sub>C</sub>が30[mA]以上になると直流電流増幅率h<sub>FE</sub>が低下していることがわかる。<br>
<br>
すなわち、コレクタ-エミッタ間電圧V<sub>CE</sub>に余裕が無いと、直流電流増幅率h<sub>FE</sub>を一定に維持できなくなるのである。<br>
[[ファイル:ErectricParts Transistor Characteristic 10.jpg|フレームなし|中央]]
<br>

==== その他 : 直流電流増幅率h<sub>FE</sub>のばらつき ====
トランジスタを製造すると、様々な値の直流電流増幅率hFEのものができてしまう。<br>
そのため、メーカーでは、直流電流増幅率hFEを測定・分類して、分類コードを印字して出荷している。<br>
<br>
下図は、2SC1815の電気的特性である。<br>
直流電流増幅率hFEが、O:70～140、Y:120～240、GR:200～400、BL:350～700と分類されていることが分かる。<br>
[[ファイル:ErectricParts Transistor Characteristic 11.jpg|フレームなし|中央]]
<br>
ちなみに、OはOrange、YはYellow、GRはGreen、BLはBlueの頭文字を示している。<br>
抵抗器のカラーコードにおいて、3＝Orange、4＝Yellow、5＝Green、6＝Blueであり、その順番と同じ順序となっている。<br>
<br><br>

__FORCETOC__
[[カテゴリ:電子部品]]