トランジスタ
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トランジスタ (transistor) は増幅、またはスイッチ動作をする半導体素子で、近代の電子工学における主力素子である。「変化する抵抗を通じての信号変換器（transfer of a signal through a varister または transit resistor）」からの造語である。
俗称として「石」がある（真空管を「球」と呼んだことに呼応する）。たとえばトランジスタラジオなどでは、使用しているトランジスタの数を数えて、6石ラジオ（6つのトランジスタを使ったラジオ）のように言う場合がある。
デジタル回路ではトランジスタが電子的なスイッチとして使われ、半導体メモリ・マイクロプロセッサ・その他の論理回路で利用されている。ただ、ICの普及に伴い、単体のトランジスタがデジタル回路における論理素子として利用されることはほとんどなくなった。一方、アナログ回路中では、トランジスタは基本的に増幅器として使われている。
トランジスタは、ゲルマニウムまたはシリコンの結晶を利用して作られることが一般的である。そのほか、ガリウム - ヒ素(GaAs)などの化合物を材料としたものは化合物半導体トランジスタと呼ばれ、特に超高周波用デバイスとして広く利用されている（衛星放送チューナーなど）。
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[編集] 歴史
トランジスタは、1948年6月30日にAT&Tベル研究所のウォルター・ブラッテン、ジョン・バーディーン、ウィリアム・ショックレーらのグループによりその発明が報告されている（この功績により、1956年にノーベル物理学賞受賞）。
この前年の1947年に、日本においてNHK技術研究所の内田秀男がすでにトランジスタに相当する増幅回路の発明を報告していたが、GHQの検閲を受け、発表が取り消された経緯があるとする説がある。しかし、当時の日本では高純度のシリコンやゲルマニウムの結晶を入手できなかった以上、信憑性が低いとする説もある（99.999999999%((イレブンナインと呼ばれる))以上の非常に高純度のシリコンが現在では使われている）。背景についてはNHKスペシャル 電子立国日本の自叙伝 第2回 「トランジスタの誕生」 において、アメリカでトランジスタが開発されたと聞いた多くの技術者が追試を試みたが、そのときですら高純度の半導体が手に入らなかったと放送されている。また、最初のトランジスタである接触型トランジスタは、高純度の半導体結晶の表面における電子的性質の研究の過程で発見された。
日本では1954年頃に東京通信工業（現ソニー）で国産化され、翌1955年に同社から日本初のトランジスタラジオ「TR-55」が商品化された[1][2]。その後、大手電機メーカがトランジスタの生産に参入し始める、1958年あたりには主要な電機メーカーからトランジスタラジオが商品化される。
1960年代に入ると、生産歩留まりが上がってコストが下がり、また真空管でしか扱えなかったテレビやFM放送（VHF）のような高い周波数でも使えるようになったため、各社から小型トランジスタラジオやトランジスタテレビが発表される。さらに高い電力やUHFでの使用が可能になる1970年までには、家庭用テレビやラジオから増幅素子としての真空管が姿を消す。
トランジスタはその後も集積度を高めて、ICやLSIといった集積回路へと進化する。
[編集] 動作の原理
ここではNPN接合（端子は順にエミッタ、ベース、コレクタ）のバイポーラトランジスタ（後述）を例にとり説明する。
- 前提として、エミッタとコレクタはN型半導体 (N: negative) であるため電子が過剰にあり、ベースはP型半導体 (P: positive) であるため電子が不足（正孔を持つ）している。すなわち単体ではそれぞれをキャリアとして電流が流れる。またベースは幅を非常に薄くしてある（数μｍ程度）。（実際には、エミッタとベースとの接合面積も小さく、また、エミッタの不純物濃度はベースやコレクタと比べ高くしてある。）
- まずエミッタ - コレクタ間に、エミッタ側を (-) として電圧をかける。このとき電流は流れない。
- エミッタの電子がコレクタ側 (+) に引き寄せられてベースに流れ込み、そこにある正孔と結合する。ベースの正孔は数に限りがあり、全てが電子と結合してしまうとベース内にキャリアが存在しなくなる。その結果電子の移動が停止する（エミッタ - コレクタ間には空乏層が形成されている）。
- また、コレクタ内の電子も (+) 極に引き寄せられて移動するが、コレクタへは新たな電子の流入がないため、コレクタの電子が全て (+) 極の正孔と結合した時点で電子の移動が停止する。
- ここで更にエミッタ - ベース間に、エミッタ側を (-)（PN接合に対する順方向）として電圧をかける。このときトランジスタ全体に電流が流れる。
- ベースには新たに正孔が流入するため、エミッタに存在する電子がベースに向かい移動する。
- 移動した電子のうち一部はベース内の正孔と結合するが、ベースは非常に薄い層であるため、大部分の電子はコレクタに引き寄せられてベースを通過してしまう。
- 結果、電流がトランジスタ全体に流れ、エミッタ - コレクタ間の電流はエミッタ - ベース間の電流に従って変化することになる（増幅）。各部はそれぞれ「ベース電流を土台とし」「エミッタが放出した電子を」「コレクタが受け取る」という名前通りの働きをする。
1960年代までの初期に多用されたPNP型のトランジスタの場合では、電源の極性（電流の向き）を逆（エミッタを（+）、コレクタ・ベースを（-））にして、電子と正孔を入れ替えれば、同様の働きを行う。
[編集] 増幅作用
- エミッタ - ベース間にわずかな電流を流すことで、エミッタ - コレクタ間にその何倍もの電流を流すことができる。
- エミッタ - ベース間のわずかな電流変化が、エミッタ - コレクタ間電流に大きな変化となって現れる。
- エミッタ - ベース間の電流を入力信号とし、エミッタ - コレクタ間の電流を出力信号とすることで、増幅作用が得られる。
- コレクタ電流 (IC) がベース電流 (IB) の何倍になるかを示す値を直流電流増幅率と呼び hFE で表す。この値は数十から数百にまで及ぶ。
である。
[編集] スイッチング作用
- 増幅時同様、エミッタ - ベース間の電流（ベース電流）によってエミッタ - コレクタ間のより大きな電流（コレクタ電流）を制御できる仕組みを利用する。
- ベースに与える小さな信号によってより大きな電流を制御できるため、メカニカルなリレースイッチの代わりに利用されることもある。
- 電流の大小ではなくON / OFFだけが制御の対象であるため、一定の線形性が求められる一般的な増幅作用の場合とは異なり、コレクタ電流とベース電流との比が直流電流増幅率よりも小さくなる飽和領域も使われる。
[編集] トランジスタの種類
- バイポーラトランジスタ (Bipolar transistor)
- P型とN型の半導体を接合したもので、エミッタ・ベース・コレクタと呼ばれる端子を持つ。一般に、ただ「トランジスタ」といえば、このタイプを指す。P型の両端をN型で挟んだNPN型、N型の両端をP型で挟んだPNP型があり、ベース - エミッタ間を流れる電流によって、コレクタ - エミッタ間の電流を制御する（右図の回路記号参照）。特性が等しいNPN型とPNP型の一組（例:2SC1815・2SA1015）をコンプリメンタリと呼ぶ。材料にゲルマニウムが使われていた1960年代の初期はPNP型がほとんどであったが（このため、真空管回路とは逆にプラス電位が接地されていた）、シリコンが使われるようになった1970年代以降は、真空管回路と同様にマイナス電位を接地するNPN型が主流になる。
- 電界効果トランジスタ (FET, Field effect transistor) またはユニポーラトランジスタ (Unipolar transistor)
- ゲートの電圧（チャネルの電界）によって制御する方式のトランジスタである。ゲート電極が半導体酸化物の絶縁膜を介しているものを特にMOS (Metal Oxide Semiconductor) FETという。
- 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT, Insulated gate bipolar transistor)
- ゲート部に電界効果トランジスタが組み込まれたバイポーラトランジスタである。電圧制御で大きな電力を取り扱えるので、大電力のスイッチング（たとえば電車のモータ制御など）に使用されている。
- トレンチMOS構造アシストバイポーラ動作FET (GTBT, Grounded-Trench-MOS Assisted Bipolar-mode Field Effect Transistor)
- ビルトイン電位によるチャネルの空乏化と、キャリア注入による空乏層解消及び伝導度変調により、遮断状態はFETのように動作するにも関わらず、導通状態ではFETとバイポーラトランジスタの混成したような動作となるトランジスタである。
- ユニジャンクショントランジスタ (UJT, Uni-junction transistor)
- 2つのベース端子を持つN型半導体とエミッタ端子を持つP型半導体とを接合したもので、サイリスタのトリガ素子として開発された。安定な高出力パルスが得られる。3つの電極を持つためトランジスタという名前があるが、本質的にはトランジスタとは無縁な、1つの接合しか持たない構造（単接合）の、ユニークな半導体素子である。
- プログラマブルUJT (PUT, Programmable Uni-junction transistor)
- 動作特性を可変としたUJT。UJT同様、サイリスタのトリガ素子として開発された。本質はトランジスタではなく、これ自体4つの接合をもつサイリスタである。
- フォトトランジスタ
- 光信号によって電流を制御するトランジスタである。パッケージには、光を透過する樹脂またはガラスが用いられ、一般的にはベース端子の無い二端子素子の形状となっている。主に光センサとして用いられる。同一パッケージ中に発光素子と組み合わせて封止したフォトカプラは、電源系統の違う回路間で絶縁を保ったまま信号伝達するのに用いられる。
- 静電誘導型トランジスタ (SIT, Static induction transistor)
- 静電誘導効果を利用したもので、チャネル抵抗を極限まで減少させるためチャネルを短くし、チャネル電流が飽和しないようにしたものである。高速動作・低損失で、信号波形の忠実な増幅が可能である。
- ダーリントントランジスタ
- バイポーラトランジスタの一種。電流増幅率を大きくするためにトランジスタの出力を別のトランジスタの入力とする接続法をダーリントン接続というが、1つのパッケージ内でこの接続を行い、外観としては一般のトランジスタと同様なものをダーリントントランジスタと呼ぶことがある。
- パワーバイポーラトランジスタ (Power bipolar transistor)
- 電動機の制御など、特に大きな電力（kWオーダ）を取り扱うために開発されたバイポーラトランジスタのこと。バイポーラトランジスタは電流制御型（ベース端子に流す小さな電流でコレクタ - エミッタ間の大きな電流を制御する）なので、取り扱う電流が大きくなれば駆動回路も大規模になる。特にスイッチング用途においては、2000年代に入り、特性がよく電圧駆動型のパワーMOSFETや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) に置き換えられつつある。
[編集] 型番
JEITA（社団法人 電子情報技術産業協会）の規格ED-4001「個別半導体デバイスの形名」に基づいて、型名と規格がJEITAに登録されている。日本における半導体素子（ここでは3個の電極を持つもの）の型番は、古いJISで以下のようにルール付けられていた。
- 2SAxxx PNP型バイポーラトランジスタ 高周波用
- 2SBxxx PNP型バイポーラトランジスタ 低周波用
- 2SCxxx NPN型バイポーラトランジスタ 高周波用
- 2SDxxx NPN型バイポーラトランジスタ 低周波用
- 2SFxxx サイリスタ
- 2SHxxx ユニジャンクショントランジスタ
- 2SJxxx Pch 電界効果型トランジスタ
- 2SKxxx Nch 電界効果型トランジスタ
（xxxは11から始まる番号）
バイポーラトランジスタと電界効果型トランジスタの大半は、このルールに基づいて命名されている。当該JIS規格はすでに廃止されているが、今日でも通称としてJIS型名またはEIAJ（JEITAの前身組織の日本電子機械工業会の略称）型名と呼ばれる。 ここで、高周波用と低周波用を区別する基準は特に定められておらず、メーカーの任意である。 改良型は番号の後にA,B……を付けて示す。 また、同じ型番でも直流電流増幅率 (hFE) や信頼性などで選別を行い、型番の末尾にそれらを識別する文字が付けられていることもある。例えば東芝の2SC1815という製品の場合、カラーコードの色の略記号を使って次のように示される。
- 2SC1815-O: hFE = 70～140 通称「オレンジ」
- 2SC1815-Y: hFE = 120～240 通称「イエロー」
- 2SC1815-GR: hFE = 200～400 通称「グリーン」
- 2SC1815-BL: hFE = 350～700 通称「ブルー」
（この記号表記は、東芝独自のもの）
[編集] 関連項目
- TTL - バイポーラトランジスタを利用した論理回路の構成方式。最初に普及したロジックICで、他の回路構成のロジックICでもその型番を踏襲したものが多い。
- CMOS - P型、N型MOSFETを相補的に利用した論理回路構成方式。集積度が高く低消費電力なので、ロジックIC、LSIとして幅広く利用されている。
- FET
- 集積回路-増幅回路-論理回路
- ムーアの法則
- ポンパ：日立製作所が発売したトランジスタを使用したカラーテレビ
- トランジスターグラマー
[編集] 参考文献
- 『最新トランジスタ規格表 各年度版』（CQ出版社） - 1966年（初版）から1988年まで（22版）。初期のトランジスタ（ゲルマニウム）の規格が掲載されている。ただし、改訂版から初期の物は外されている。1989年から改訂版。2003年まで出版された。
- 『最新トランジスタ互換表 各年度版』（CQ出版社） - 1968年（初版）から2003年（35版）。
- 『最新トランジスタ規格表&互換表 各年度版』（CQ出版社） - 2004年以降、上記2冊がまとめられた。
- マイケル リオーダン・リリアン・ホーデスン『電子の巨人たち（上）』鶴岡雄二・ディーンマツシゲ役（ソフトバンククリエイティブ）、1998年
- マイケル リオーダン・リリアン ホーデスン『電子の巨人たち（下）』鶴岡雄二・ディーンマツシゲ役（ソフトバンククリエイティブ）、1998年
[編集] 脚注
- ^ TR-55ソニー公式サイト
- ^ 50年前のソニーが生んだもの日経エレクトロニクス雑誌ブログ、2005年8月5日
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