電子回路Ⅰ 第3回...電子回路Ⅰ 4 21 バイポーラトランジスタの基本動作...

電子回路Ⅰ 4 1

電子回路Ⅰ第3回

電子回路Ⅰ 4 2

講義内容

1. 半導体素子（ダイオードとトランジスタ）

2. 基本回路

3. 増幅回路

トランジスタ

　・基本構造

　・基本動作

動作原理

増幅作用

　・静特性

電子回路Ⅰ 4 3

ダイオード（2端子素子）

トランジスタ（3端子素子）

　・バイポーラトランジスタ（Bipolar）

　・電界効果トランジスタ（FET）

・接合形（JFET）・ MOS形（MOSFET）

半導体素子（ダイオードとトランジスタ）

電子回路Ⅰ 4 4

pn接合

p n

キャリア濃度差

電子の数＞正孔の数　多数キャリア：電子　少数キャリア：正孔

電子の数＜正孔の数　多数キャリア：正孔　少数キャリア：電子

拡散によりキャリアが移動

pn接合

p n

正孔

電子

電子回路Ⅰ 4 5

空乏層

p n

- - - - - - -

+ + + + + + +

- - - - - - -

+ + + + + + +

ドナーイオン正電荷

アクセプタイオン負電荷

p n

空乏層（キャリアがほとんど存在しない領域）

+ + + + + + +

接合面

電界

※ アクセプタイオンやドナーイオンは　　固定されており、移動できない。

電子回路Ⅰ 4 6

pn接合とバイアス電圧

p n

空乏層

FV

p n

空乏層

RV

順方向電圧

逆方向電圧

電子回路Ⅰ 4 7

順方向電圧（Forward Bias Voltage）

p n

空乏層

FV

電位

xnFxpFx− 0

bVFV

電位障壁が低くなる

電流が多く流れる

電子回路Ⅰ 4 8

逆方向電圧（Reverse Bias Voltage）

電位

xnRxpRx− 0

bVRV

p n

空乏層

RV

電位障壁が高くなる

電流がほとんど流れない

( )2/1

112

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+=+=

DA

RbnRpR NNq

VVxxw ε

w

電子回路Ⅰ 4 9

pn接合ダイオード（順方向バイアス）

p n

空乏層

FV

正孔電子

伝導帯

価電子帯

正孔

電子

少数キャリアの注入

電子の数＞正孔の数　多数キャリア：電子　少数キャリア：正孔

電子の数＜正孔の数　多数キャリア：正孔　少数キャリア：電子

電子回路Ⅰ 4 10

p n

空乏層

RV

伝導帯

価電子帯

電位障壁が高くなる

pn接合ダイオード（逆方向バイアス）

電流がほとんど流れない

空乏層が広がる


pn接合ダイオードの電流-電圧特性

伝導帯

価電子帯

正孔

電子

少数キャリアによる拡散電流

少数キャリア：正孔拡散電流

少数キャリア：電子拡散電流

ダイオード電流は、電子の拡散電流と正孔の拡散電流の和

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=+= 11 00 kT

qV

p

ppkTqV

n

pnpn

FF

eLpqD

eLnqD

JJJp

pp

n

pns L

pqDLnqD

J 00 +=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 1kT

qV

s

F

eJJダイオードの電流密度

ここで、 Dn と Dpは、それぞれ電子と正孔の拡散係数、 Ln とLp は拡散長である。

詳しくは、参考書「基礎電子回路工学 –アナログ回路を中心に-」、松澤昭（著）、オーム社を参照のこと


pn接合ダイオードの電流-電圧特性

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 1kT

qV

s

F

eJJ

FVRV

順方向逆方向

指数関数

J

FVRV

順方向逆方向

bV

ダイオード特性近似モデル

J


バイポーラトランジスタ（Bipolar）

トランジスタ

電界効果トランジスタ（FET）

・接合形（JFET）・ MOS形（MOSFET）


p+ n+

npn型 pnp型

n+ n+ p+ p+

基板

n n p p p n

B B C E E C

n+

n+

B B E E C C

バイポーラトランジスタの構造

P


バイポーラトランジスタの構造

n p

pn接合

n

pn接合

npn形トランジスタ

C E

B

DCABDE NNN >>

不純物のドーズ量

ベースは非常に薄く形成される

p n

pn接合

p

pn接合

pnp形トランジスタ

C E

B

ACDBAE NNN >>

不純物のドーズ量

ベースは非常に薄く形成される


バイポーラトランジスタの基本動作

n p n

npn形トランジスタのバイアス

C E

B

RVFVBE間順方向電圧

CB間逆方向電圧


バイポーラトランジスタの基本動作

p n p

pnp形トランジスタのバイアス

C E

B

RVFVEB間順方向電圧

BC間逆方向電圧


C E

B



バイポーラトランジスタの基本動作 npn形トランジスタの動作

正孔

電子電子

電子の注入

拡散と再結合

※ 空乏層は考慮していない


バイポーラトランジスタの基本動作 npn形トランジスタの動作（1）

C E B

① 電子の注入

電子



バイポーラトランジスタの基本動作 npn形トランジスタの動作（2）

C E B 正孔

① 電子の注入

電子

② 電子の拡散

③ 一部の電子は正孔と　　再結合


ベースは非常に薄い


バイポーラトランジスタの基本動作 npn形トランジスタの動作

C E

① 電子の注入

電子電子

② 電子の拡散

③ 一部の電子は正孔と　　再結合


④ 電子が通り抜ける

B 正孔

ベースは非常に薄い


C E

B



バイポーラトランジスタの基本動作 npn形トランジスタのキャリアの流れ

電子電子

正孔


バイポーラトランジスタの基本動作 npn形トランジスタの電流

EIBI CI

CBE III +=

n p n C E

B




バイポーラトランジスタのバイアス方法ベース接地（Common Base）

EI CI

共通端子

BI

n p n C E

B

CBVBEVBE間順方向電圧



バイポーラトランジスタのバイアス方法

CEV

BEV

EI CI

エミッタ接地（Common Emitter）

共通端子

0<⇒< CBCEBE VVVCB間逆方向電圧

n p n C E

B

BE間順方向電圧


二端子対回路（四端子回路）

1V 2V

1I 2I

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

2

1

2221

1211

2

1

II

ZZZZ

VV

⎩⎨⎧

+=

+=

2221212

2121111

IZIZVIZIZV

02

222

01

221

02

112

01

111

12

12

,

,

==

==

==

==

IV

IV

IVZ

IVZ

IVZ

IVZ

例えば、以下のブラックボックスの回路があるとき、入出力の電圧と電流との関係を考える

※ 二端子対回路について詳しくは、3年前期「電気回路Ⅳ」で学習する。


hパラメータ

h 1V 2V

1I 2I

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

2

1

2221

1211

2

1

VI

hhhh

IV

⎩⎨⎧

+=

+=

2221212

2121111

VhIhIVhIhV

二端子対回路（四端子回路）

02

222

01

221

02

112

01

111

12

12

,

,

==

==

==

==

IV

IV

VIh

IIh

VVh

IVh

O

F

R

I

hhhhhhhh

→

→

→

→

22

21

12

11


トランジスタとhパラメータ

h 1V 2V

EI CI

ベース接地回路

02

222

01

221

02

112

01

111

12

12

,

,

==

==

==

==

IV

IV

VIh

IIh

VVh

IVh

OB

FB

RB

IB

hhhhhhhh

→

→

→

→

22

21

12

11

h 1V 2V

BI CI

02

222

01

221

02

112

01

111

12

12

,

,

==

==

==

==

IV

IV

VIh

IIh

VVh

IVh

OE

FE

RE

IE

hhhhhhhh

→

→

→

→

22

21

12

11

エミッタ接地回路

※ hパラメータについて詳しくは第6回の講義で。教科書 pp.69-75 を参照のこと。


パラメータの表記方法

小文字・交流成分・小信号成分

ci mg

大文字・直流成分・大信号成分

CEV CI

大文字＋小文字・直流成分＋交流成分

fF hh ⇔fhFh abh

rfoi ,,,ecb ,,

RFOI ,,,ECB ,,

cI Ci


バイポーラトランジスタの電流増幅率

CBE III +=

E

CFB I

Ih ==α

B

CFE I

Ih == β

ベース接地直流増幅率

エミッタ接地直流増幅率

FB

FB

E

C

E

C

CE

C

B

CFE h

h

IIII

III

IIh

−=

−=

−==

11 αα

β−

=1


バイポーラトランジスタの電流-電圧特性

CI

CEV0

↑BI

傾きゼロ；無限の出力抵抗


アーリー効果（ベース幅変調効果）

CI

CEV0

↑BI

傾きがゼロではない；有限の出力抵抗


アーリー電圧

CI

CEV0AV

アーリー効果　・増幅器の利得　・電流源の定電流性に影響を及ぼす

アーリー電圧

[V] 100 10−≈AV

傾きがゼロではない → 外挿


電界効果トランジスタ（FET）

接合形（JFET） pn接合

MOS形（MOSFET）

MOS構造


JFETの構造

p

pチャネルJFET

S D

G

n

n

n

nチャネルJFET

D S

G

p

p


N-well

n+ n+ p+ p+

P-substrate

N-well

S D D S G G

B

MOSトランジスタの構造

NMOS PMOS


n

MOS構造

p

金属（Metal）

酸化膜（Oxide）

半導体（Semiconductor）

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