トランジスタ特性とは？

トランジスタは、デバイス内の電気の流れを制御および増幅する電子デバイスのコンポーネントであり、現代の電子機器の開発における最も重要な発明の1つと考えられています。 トランジスタの動作に影響する重要なトランジスタ特性には、トランジスタのゲイン、構造、極性、および構造材料が含まれます。 トランジスタの特性は、トランジスタの目的に応じて大きく異なります。

トランジスタは、大量のフローを制御する信号として少量の電気を使用できるため便利です。 これを行うトランジスターの能力は、トランジスターのゲインと呼ばれ、トランジスターが生成する出力と、その出力を生成するのに必要な入力との比率として測定されます。 入力に比べて出力が高いほど、ゲインが高くなります。 この比率は、電気の電力、電圧、または電流の観点から測定できます。 動作周波数が高くなると、ゲインは減少します。

トランジスタの特性は、トランジスタの構成によって異なります。 一般的な材料には、半導体のシリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム（GaAs）が含まれます。 ガリウムヒ素は、電子移動度、つまり電子が半導体材料を通過する速度が高いため、高周波で動作するトランジスタによく使用されます。 また、シリコンまたはゲルマニウムトランジスタの高温でも安全に動作できます。 シリコンの電子移動度は他のトランジスタ材料よりも低くなりますが、シリコンは安価であり、ゲルマニウムよりも高い温度で動作できるため、一般的に使用されています。

最も重要なトランジスタ特性の1つは、トランジスタの設計です。 バイポーラ接合トランジスタ（BJT）には、ベース、コレクタ、エミッタと呼ばれる3つの端子があり、ベースはコレクタとエミッタの間にあります。 少量の電気がベースからエミッタに移動し、電圧のわずかな変化により、エミッタ層とコレクタ層の間の電気の流れに大きな変化が生じます。 BJTは、負に帯電した電子と正に帯電した正孔の両方を電荷キャリアとして使用するため、バイポーラと呼ばれます。

電界効果トランジスタ（FET）では、1種類の電荷キャリアのみが使用されます。 すべてのFETには、ゲート、ドレイン、およびソースと呼ばれる3つの半導体層があり、それぞれBJTのベース、コレクタ、およびエミッタに類似しています。 ほとんどのFETには、ボディ、バルク、ベース、またはサブストレートと呼ばれる4番目の端子もあります。 FETが電荷を運ぶために電子と正孔のどちらを使用するかは、異なる半導体層の組成に依存します。

トランジスタの各半導体端子は、トランジスタの主な半導体材料にドープされている物質に応じて、正または負の極性を持つことができます。 N型ドーピングでは、ヒ素またはリンの小さな不純物が追加されます。 ドーパントの各原子は、その外殻に5つの電子を持っています。 各シリコン原子の外殻には4つの電子しかないため、各ヒ素またはリン原子は過剰な電子を提供し、半導体を通過して負の電荷を与えます。 P型ドーピングでは、ガリウムまたはホウ素が使用されます。両方とも外殻に3つの電子があり、代わりに使用されます。 これにより、シリコン原子の外殻にある4番目の電子に結合するものがなくなり、電子が移動できる電子ホールと呼ばれる対応する正電荷キャリアが生成されます。

トランジスタは、コンポーネントの極性によっても分類されます。 NPNトランジスタでは、中間端子（BJTのベース、FETのゲート）が正極性で、その両側の2つの層が負極性です。 PNPトランジスタの場合は、逆です。