本日の内容  トランジスタとは? アナログ電子回路  トランジスタの基本的な動作は?  バイポーラトランジスタ  JFET 岩谷素顕  MOSFET  エンハンスメント型、デプレッション型 2-2 2-1 トランジスタトランジスタの実物写真足から見た図 C:コレクタ B:ベース E:エミッタ大信号用トランジスタ小信号用トランジスタ ※東芝のHPより 2-3 2-4 電気回路で考える素子（能動素子）トランジスタとは？外からの信号（電流or電圧）抵抗・コイル・コンデンサ電流i v L v R i 2-5 v トランジスタ i i v  Ri vL di dt C iC V dv dt 2-6 電流iは外からの信号で制御される Siトランジスタの種類 p n p n p p pnp型 n p バイポーラトランジスタ ⇒トランジスタバイポーラトランジスタ・・・電流制御型 FET・・・電圧制御型接合型（JFET) SiO2 p n npn型電界効果トランジスタ Field Effect Transistor : FET 外からの信号（電流 or 電圧） p 電流i n 金属－絶縁膜－半導体型 (MOSFET) 電界効果トランジスタ⇒FET 2-7 トランジスタ V 2-8 トランジスタの回路図まずはトランジスタの動作についてトランジスタの回路記号、特性は？コレクタ：C コレクタ：C ベース：B ベース：B エミッタ：E エミッタ：E npn型 2-9 プレーナ技術を用いて作製した npn型バイポーラトランジスタの構造 2-11 電流の向き 2-10 トランジスタの構造高濃度の不純物濃度のn型層エミッタ→Emitter→E 中程度の不純物濃度のp型層ベース→Base→B 低い不純物濃度のn型層エミッタとコレクタは同じコレクタ→Collector→C 型だが、不純物の濃度が異なるので、逆につなぐとトランジスタ動作しない。 pnp型 n型半導体とp型半導体とは？ Si結晶の中に、たとえばV族の原子であるヒ素を入れると？ ⇒ 電子が一個余分になる ⇒ 熱エネルギーで電子が自由に動けるようになる ⇒ このような半導体をn型半導体と言い、電流は電子が寄与して流れる 2-12 どのようにトランジスタを作製するのか？ n型半導体とp型半導体とは？ Si結晶の中に、たとえばIII族の原子であるホウ素を入れると？ ⇒ 電子が一個足りなくなる（正孔） ⇒ 熱エネルギーで正孔が自由に動くようになる ※アルバックのHPより実物写真 ⇒ このような半導体をp型半導体と言い、電流は正孔が寄与して流れるイメージ図 2-13 使う装置はイオン注入装置 2-14 トランジスタの電流、電圧イオン注入装置とは？ IC VCB 高エネルギーのイオンをウエハに衝突させて、物理的にウエハ表面内に不純物を埋め込む方法 IB C B キルヒホッフの法則 VCE VBE ※アルバックのHPより 2-15 IE=IC+IB E 書き方と矢印の向きに注意 IE hFE  IC IB hFE：直流電流増幅率 2-16 エミッタ接地静特性 2SC1815の例エミッタ接地(npn型トランジスタ) 演習：下記のトランジスタが動作するように直流電圧源を接続しなさい C B IB=1.0mA IB=0.5mA E IB=0.2mA B-Eはpn接合ダイオード 2-17 2-18 IBを変化させることによってICが変化演習：図からVCE=5V,IB=0.2mAのときのhFEを読み取りなさい。 hFE  演習:トランジスタにIB=30A流したら,IC=6mA流れた。このときのIEはいくらか?また、hFEはいくつか? 31  155 0.2 IE=IB+IC=0.03+6=6.03mA IC IB hFE  6  200 0.03 IE 2-19 2-20 エミッタ接地以外の接続方法ベース接地について演習：下記のトランジスタが動作するように直流電圧源を接続しなさい E C E B B C VEC ベース接地 VCB VBC IE hFB  IC IE VEB コレクタ接地 2-21 2-22 最大定格 2SC1815の例（Ta＝25℃）項目記号定格 VCBO 60 Ｖコレクタ・エミッタ間電圧 VCEO 50 Ｖ VEBO 5 Ｖコレクタ電流 IC 150 mA ベース電流 IB 50 mA コレクタ損失 PC 400 mW エミッタ・ベース間電圧 2SC1815の例最大コレクタ損失PCMAX=0.4W 単位コレクタ・ベース間電圧 2-23 E B C VEB VCB IC 接合温度 Tｊ 125 ℃ 保存温度 Tstg -55～125 ℃ VCE×IC=0.4の境界 2-24 演習: 2SC1815の例で、最大コレクタ損失PCMAX=0.4Wのとき、VCE=10Vのとき、ICは最大何mA流せるか? トランジスタとは？外からの信号（電流or電圧） I CMAX  電流iは外からの信号で制御される。電流i 400  40mA 10 トランジスタ V 2-25 2-26 電界効果トランジスタ Field Effect Transistor : FET 主なFET構造の概略バイポーラトランジスタ・・・電流制御型 FET・・・電圧制御型 G(ゲート) S (ソース) p D(ドレイン) n p G 外からの信号（電流 or 電圧） D 電流i SiO2 接合型（JFET) S p p n トランジスタ金属－絶縁膜－半導体型（MOSFET) V 2-27 2-28 Nチャネル接合型FET 2SK1103 の例 Pチャネル接合型FET 2SJ0163 の例 G p n p D Gに負電圧を加えると D G D G 空乏層が拡がる Gに正電圧を加えると G p n p S D G G：pにマイナス S:nにプラスはpn接合の逆バイアス 2-29 n p n S 空乏層が拡がる 2-30 S G n p n S 接合型電界効果トランジスタ（Junction Field Effect Transistor : JFET)の回路記号 FETの性能指数：相互コンダクタンス gm J1 D:n 矢印の向きに注意 J2 G:p D:p G:n S:p S:n Nチャネル Pチャネルドレイン電流 ID(mA) 2SJ0364の例 (Nチャネル、 Pチャネル ⇒どちらでしょう?) FETの性能：入力⇒VGS 出力⇒ID gm  ID VGS I D [S ] ジーメンス VGS VDS=一定ゲートソース間電圧VGS(V) 2-31 2-32 MOSFET について金属－酸化物－半導体FETの動作機構金属酸化物半導体電界効果トランジスタ SiO2 p p n 金属－絶縁膜－半導体型（MOSFET) 略称 2-33 ：：：：：：： Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET 2-34 MOSFETの実物写真 ※東芝のHPより MOSFETの種類 •P－チャネル (正孔が動く) 2SK439 •N－チャネル (電子が動く) + •エンハンスメント(Enhancement) (ゲート電圧を加えると流れる) •ディプリーション(Depletion) (ゲート電圧を加えないと流れる) 2-35 MOS-FETの記号 2-36 実際のMOSFETの特性例1-1 MOSFETの構造ゲート G ソース S SiO2：ゲート酸化膜と呼ぶ。厚さ数nm ドレイン D p+ Pチャネル VGS 0→負 p+ n ソースからドレインに流れる電流をゲート電圧で制御する。 2SJ76 VDS （P-MOSFET) 2-37 2-38 実際のMOSFETの特性例1-2 Pチャネルエンハンスメント型MOSFET 実際のMOSFETの特性例2-1 VGS 0→正 2SK213 2SJ76 2-39 Pチャネルエンハンスメント型MOSFET 実際のMOSFETの特性例2-2 2-40 Nチャネルエンハンスメント型MOSFET P-チャネルエンハンスメント型MOSFET の動作説明金属ゲートソース (Metal) (Gate) (Source) p型Si SiO2 ドレイン (Drain) p型Si n型Si 2SK213 二つのダイオードが、互いに逆向きに繋がれてるのと同じ 2-41 Nチャネルエンハンスメント型MOSFET 2-42 ゲート電圧を加えないと、電流は流れない。 P-チャネルエンハンスメント型MOSFETの説明 SiO2 G S ＋ p-Si ＋＋＋＋＋＋ N-チャネルエンハンスメント型MOSFETの説明 G D (負) D S n-Si p-Si 電流の方向 n-Si 二つのダイオードが、互いに逆向きに繋がっているのと同じ n-SiとSiO2の界面に正孔が誘起される。 SからDに向かって正孔(電流)が流れる。電流は流れない。 2-44 N-チャネルエンハンスメント型MOSFETの説明 SiO2 S n-Si P-チャネルエンハンスメント型 MOSFETのソース接地静特性 (正) D G －－－－－－ n-Si P-Si Sに対してGに、相対的に負電圧を加えると 2-43 SiO2 n-Si 負の電圧 VGS=0 ID(ドレイン電流) p-SiとSiO2の界面に電子が誘起される。 SからDへ電子が流れる。 2-45 DからSへ電流が流れる。 VGS<0 2-46 N-チャネルエンハンスメント型 MOSFETのソース接地静特性 VGS>0 S G 反転層：N型と等価 M4 n-Si n-Si 電流の方向 p-Si ID D M2 G S VDS VGS=0 2-48 D P型 G N-MOS 2-47 ドレインに流入する向き MOSFETの回路記号 D D p-Si p-Si 電流の方向 n-Si 電流の方向 p-Si Sに対して、Gに相対的に正の電圧を加えると G S VDS (Sに対するDの電位) S P-MOS 演習下の図はあるJFETの特性を示したものである。 (1)NチャネルかPチャネルか。 (2)VDS:10V、VGS：-0.2V、25℃におけるgmを求めなさい。解答例 VGS負電圧でID減少 ⇒Nチャネル 2-49 2-50 解答例本日の内容  バイポーラトランジスタ gm   JFET I D VGS  MOS-FET エンハンスメント型、デプレッション型  MOS-FET N-MOS、P-MOS 2.4  0.2  12[mS ] 2-51 2-52