トランジスタの増幅・スイッチング作用についての基礎知識まとめ

トランジスタに関する概略

トランジスタの構造と基本動作

構造

図：トランジスタの構造と図記号

p形半導体とn形半導体を3つ組み合わせた素子で
npn形とpnp形がある
（本記事ではnpn形をベースに解説）

制御の仕組み

図：トランジスタの造副作用

トランジスタは、ベース電流 IB によってコレクタ電流 IC を制御する素子。
＝ベース電流 IB によってコレクタ-エミッタ間の抵抗が変化する。

１．抵抗の変化
ベース電流 IB が大きいと抵抗が下がり、ベース電流 IB が小さいと抵抗が高くなるため
ベース電流 IB が大きくなるにつれてコレクタ電流 IC も大きくなる。

２．増幅作用とは
ベース電流 IB は数十 uA であるのに対し、コレクタ電流 IC は数 mA と約100倍になる。
→小さな電流 IB を入力し、大きな電流 IC を出力する働きを「増幅作用」と呼ぶ。

３．電流の供給元
実際にはベース電流 IB が増幅されてコレクタ電流 IC になるわけではなく
電源 VCCからコレクタ電流 IC を引っ張ってきている。

増幅作用と水配管のイメージ図

ベース電流 IB が大きくなるほどベース弁が開き
水槽から流れ出る水量（コレクタ電流 IC ）が増加する。
逆にベース電流 IBが減って 0 になると弁が完全に閉じ
水は流れなくなる。
（コレクタ電流 IC=0 ）

実務におけるポイント

実務での活用（スイッチング作用）

「水配管の弁を完全に開くか、完全に閉じるか」という動作を応用したものが「スイッチング作用」となる。
実務における電源回路（スイッチング電源）やインバータ装置などでは
ベースに電気を流すか否かで、電流のON/OFFを高速に切り替えている。
この高周波スイッチングにより
トランスを小型化できたり、安定した直流を出力したりすることが可能になる。

次世代パワー半導体（SiCとGaN）の台頭

電気自動車（EV）や再生可能エネルギー（太陽光発電など）で活躍するパワー半導体の素材が進化しており
従来のシリコン（Si）に代わり、次世代素材として以下の2つが特に注目されている。

素材	特徴・用途
SiC（炭化ケイ素）	Siと比べて絶縁破壊強度が約10倍と高く 高耐電圧・低損失であることが特徴。 EVのモーター駆動用回路や太陽光発電の パワーコンディショナなど 中〜大容量機器での普及が先行して進んでいる。
GaN（窒化ガリウム）	SiCと同様に高い絶縁破壊電界強度を持つが 特に電子移動度が高く高速スイッチングが得意。 現在はACアダプターやサーバー電源などの 小型機器を中心に活用が拡大している。

参考資料

新電気2019年12月号「特集　強電技術者のための電子回路」より一部引用

ROHM（ローム） エレクトロニクス豆知識
https://techweb.rohm.co.jp/

三菱電機 パワー半導体ポータルサイト
https://www.mitsubishielectric.co.jp/semiconductors/powerdevices/

富士電機 パワー半導体技術解説
https://www.fujielectric.co.jp/products/semiconductor/information/about.html