電子回路Ⅰ 第３回(2008/10/20) バイポーラトランジスタの動作原理今日の内容        半導体とはドーピングキャリアの運動（電流） pn接合 pn接合ダイオードの動作原理バイポーラトランジスタの動作原理バイポーラトランジスタの直流動作半導体とは  固体を電気を流す、流さないで分類    金属電気を良く流す（自由電子）アルミニウム(Al), 銅(Cu), 金(Au), ・・・ニクロム(NiCr), ステンレス(FeCrNi), ・・・半導体流すときと流さないときがあるシリコン(ケイ素,Si), ガリウム砒素(GaAs), ・・・絶縁体電気を流さないガラス(SiO2), その他多くの物質固体中の電子（絶対ゼロ度）伝導帯エネルギー禁制帯 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 価電子帯 •Siの最外殻電子数（価電子数）は４つ •安定な結合になるためには4つのSi原子と電子のやり取りをする •結合に使われている電子は動けない固体中の電子（室温）伝導帯自由電子 (負の電荷を運ぶ) 禁制帯正孔 (正の電荷を運ぶ) 価電子帯 •熱によって結合が切れ、自由電子が発生 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si n p •隣の結合の電子が移動することによって、切れた結合も移動できる（正孔：電子の抜け穴） •自由電子と正孔は電荷を運ぶ電気を流すことができる •自由電子と正孔の密度は温度とともに増加金属、半導体、絶縁体の違い伝導帯伝導帯伝導帯禁制帯禁制帯禁制帯価電子帯価電子帯価電子帯金属半導体絶縁体伝導帯に電子が多数存在禁制帯の幅が狭い禁制帯の幅が広い電流は流れる電流はそこそこ流れる電流はほとんど流れない半導体へのドーピング(n型)  IV族元素のSiにV族のPをわずかに添加周りの原子との結合には電子は４つで十分ドナーイオン（+） Si Si Si Si Si P Si Si •電子を供給する(donate)する元素のことをドナー(donor)という Si Si Si Si •ドナーがドーピングされた半導体は、正孔よりも自由電子の密度が高い Si Si Si Si 電子が１つあまる容易に自由電子となる結合に寄与しない電子 •n型半導体（単体では電気的に中性） Nd  nn  pn 半導体へのドーピング(p型)  IV族元素のSiにIII族のAlをわずかに添加アクセプタイオン（-）周りの原子との結合には電子が４つ必要 Si Si Si Si Si Al Si Si •電子を受け入れる(accept)する元素のことをアクセプタ(acceptor)という Si Si Si Si •アクセプタがドーピングされた半導体は、自由電子よりも正孔の密度が高い Si Si Si Si 電子が１つ足りない容易に正孔となる電子の受け入れ場所 •p型半導体（単体では電気的に中性） np  p p  Na キャリア密度の温度依存性ドーピングしないとき（真性半導体）ドーピングしたとき（外因性半導体） 1017 1016 1015 不純物温度上昇によって生成されるキャリア密度が増加するドーピングの密度で制御できる固体中のキャリアの運動キャリア(carrier) = 自由電子または正孔ドリフト（電界から力を受けて動く、電気的な運動）速度　v  E　 : 移動度電流密度　j  qnv  qnE 拡散（密度むらがあると、密度が均一になるように動く、電気に関係のない運動） dn( x) キャリアの流れ　J  D D : 拡散定数 dx dn( x) 電流密度　j  qJ   qD dx n(x)  n( x ) dx 固体中では、電子と正孔が、それぞれドリフトと拡散によって運動する x pn接合（空乏層の発生） p 接合直前 n アクセプタイオン接合後接合直後ドナーイオン電位空乏層（空間電荷層）拡散によりキャリアが移動する位置 pn接合の電流 n（カソード） pに+, nに－（順バイアス） p n 正孔と電子は接合を超えられる電流が流れる電位の障壁電位電位電位 p（アノード） pに－, nに+（逆バイアス） p n 正孔と電子は接合を超えない電流が流れない pn接合ダイオードのI-V特性立ち上がりはゼロボルトではない I  I 0 expqV / kT  1 I 0 : 逆方向飽和電流 q : 素電荷 (1.6  1019 C) k : ボルツマン定数(1.38 10 23 J/K ) T : 絶対温度バイポーラトランジスタの構造  p エミッタ pnp型とnpn型 n ベース p C n B コレクタエミッタ p ベース n C B コレクタ E ２つのpn接合ダイオードを直列に並べた構造（実際はダイオードを上図のように配線してもトランジスタとしての動作はしない） E トランジスタの写真エミッタベースベースコレクタエミッタコレクタトランジスタの型番名称種別用途 2SA 2SB 2SC 2SD 高周波、スイッチング用 pnp 低周波 npn 高周波、スイッチング用低周波用、電力増幅用 2 S B 1815 A トランジスタを意味する半導体を意味する改良型を意味する用途登録番号トランジスタの特性表   各社のホームページからダウンロードできる 2SC1815の特性表トランジスタのバイアス(pnp) エミッタベース p VBE 順バイアス n コレクタ p VCB 逆バイアストランジスタの動作原理電位拡散一部再結合加速（ドリフト）再結合ベース幅が短いことが重要 p n p トランジスタを流れる電流 I C  I E (  1) （理想的にはゼロ） I C  I E (  1) I C  I E (  1,限りなく 1に近い) I E  I B  Ic 接地方式ベース接地 E IE C B VBE IB エミッタ接地 IC IC VCB IB RL C B VCE E VBE IE RL ベース接地電流増幅率  入力 IE I E  I B  Ic I C  I E E 出力 IC B VCB VBE I B  I c より　～1 C IB RL エミッタ接地電流増幅率 b(hFE) I E  I B  I c より、 I E を消去し、 I C  I E エミッタ接地電流増幅率 IC b IB をで表しなさい出力 IC 入力 IB C B E VBE   0.99のとき、 bはいくらになるか計算しなさい IE VCE RL まとめ      トランジスタのタイプ npnとpnp VBEは順バイアス、 VCBは逆バイアス VBEは0.6V以上必要ベース接地電流増幅率  （ 1より少し小さい）エミッタ接地電流増幅率 b  hFE   1