バイポーラ接合トランジスタ

バイポーラ接合トランジスタ （BJT）は、その動作が2つのキャリア（同じ結晶内の電子と正孔）による伝導を伴うために名付けられました。最初のバイポーラトランジスタは、ベル研究所でウィリアムショックレー、ウォルターブラッテン、ジョンバーディーンによって1947年後半に発明されたため、1948年まで公開されませんでした。したがって、発明の日付に関して多くのテキストが異なります。ブラッテンはゲルマニウム点接触トランジスタを製造しました 、点接触ダイオードにいくらか似ています。 1か月以内に、Shockleyはより実用的な接合トランジスタを手に入れました。 、これについては次の段落で説明します。彼らは1956年にトランジスタでノーベル物理学賞を受賞しました。

下の図（a）に示すバイポーラ接合トランジスタは、エミッタを備えたNPN3層半導体サンドイッチです。 およびコレクター 最後に、ベース 間に。これは、2層ダイオードに3番目の層が追加されたかのようです。これが唯一の要件である場合、1対の連続したダイオードしかありません。実際、一対の連続したダイオードを構築する方がはるかに簡単です。バイポーラ接合トランジスタを製造するための鍵は、外側の層、エミッタ、およびコレクタを短絡させずに、中間層であるベースを可能な限り薄くすることです。薄いベース領域の重要性を強調しすぎることはできません。

BJTジャンクション

下の図（a）のデバイスには、エミッタからベース、ベースからコレクタの1対の接合部と、2つの空乏領域があります。

（a）NPN接合バイポーラトランジスタ。 （b）コレクタベースジャンクションに逆バイアスを適用します。

（上の図（b）に示すように、バイポーラ接合トランジスタのベース-コレクタ接合を逆バイアスするのが通例です。これにより、空乏領域の幅が広がることに注意してください。逆バイアス電圧は、数ボルトから数十ボルトになる可能性があります。ほとんどのトランジスタの場合。コレクタ回路には、リーク電流を除いて電流は流れません。

下の図（a）では、エミッタベース回路に電圧源が追加されています。通常、エミッタとベースの接合部に順方向バイアスをかけ、0.6Vのポテンシャル障壁を克服します。これは、接合ダイオードの順方向バイアスに似ています。この電圧源は、多数キャリア（NPNの場合は電子）がエミッタからベースに流れてP型半導体の少数キャリアになるために0.6Vを超える必要があります。

一対のバックツーバックダイオードのようにベース領域が厚い場合、ベースに入るすべての電流がベースリードから流れ出します。 NPNトランジスタの例では、ベースのエミッタを離れる電子はベースの穴と結合し、電子が出るときにベースの（+）バッテリー端子にさらに穴を作成する余地を作ります。

ただし、ベースは薄く製造されています。少数キャリアとしてベースに注入されたエミッタ内のいくつかの多数キャリアは、実際に再結合します。下の図（b）を参照してください。エミッタによってNPNトランジスタのベースに注入された電子はほとんどホールに落ちません。また、ベースに入る電子は、ベースを通ってバッテリーのプラス端子に直接流れることはほとんどありません。電子のエミッタ電流のほとんどは、薄いベースを通ってコレクタに拡散します。さらに、小さなベース電流を変調すると、コレクタ電流の変化が大きくなります。シリコントランジスタのベース電圧が約0.6Vを下回ると、大きなエミッタ-コレクタ電流が流れなくなります。

逆バイアスされたコレクタ-ベースを備えたNPN接合バイポーラトランジスタ：（a）ベース-エミッタ接合に順方向バイアスを追加すると、（b）ベース電流が小さくなり、エミッタおよびコレクタ電流が大きくなります。

BJT電流増幅

下の図では、現在の増幅メカニズムを詳しく見ていきます。薄いベース領域に重点を置いたNPN接合トランジスタの拡大図があります。示されていないが、外部電圧源は、1）エミッタ-ベース接合を順方向にバイアスし、2）ベース-コレクタ接合を逆方向にバイアスすると仮定します。電流は、エミッターを（-）バッテリー端子に残します。ベース電流の流れは、（+）バッテリー端子からベース端子に入る電流に対応します。

ベースに入る電子の配置：（a）ベースホールとの再結合により失われます。 （b）ベースリードを流出させます。 （c）ほとんどがエミッターから薄いベースを通ってベース-コレクター空乏領域に拡散し、（d）強い空乏領域電場によってコレクターに急速に掃引されます。

N型エミッター内の多数キャリアは電子であり、Pタイプベースに入ると少数キャリアになります。これらの電子は、薄いP型ベースに入る4つの可能な運命に直面します。上の図（a）のいくつかは、（+）バッテリー端子へのベース電流の流れに寄与するベースの穴に落ちます。図示されていないが、ベースの正孔はエミッタに拡散して電子と結合し、ベース端子電流に寄与する可能性がある。 （b）で、ベースが抵抗器であるかのように、ベースを通って（+）バッテリー端子に流れるものはほとんどありません。 （a）と（b）の両方が、非常に小さなベース電流の流れに寄与します。ベース電流は通常、小信号トランジスタのエミッタまたはコレクタ電流の1％です。ほとんどのエミッタ電子は、薄いベース（c）を通ってベース-コレクタ空乏領域に拡散します。 （d）の電子を取り巻く空乏領域の極性に注意してください。強い電界が電子を急速にコレクターに押し込みます。電界の強さは、コレクターのバッテリー電圧に比例します。したがって、エミッタ電流の99％がコレクタに流れ込みます。これは、エミッタ電流の1％であるベース電流によって制御されます。これは、I _C の比率である99の潜在的な電流ゲインです。 / I _B 、ベータ、βとも呼ばれます。

この魔法、つまりエミッタキャリアの99％がベースを介して拡散することは、ベースが非常に薄い場合にのみ可能です。 100倍厚いベースのベースマイノリティキャリアの運命はどうなるでしょうか？電子が正孔に落ちる再結合率ははるかに高いと予想されます。おそらく、1％ではなく99％が穴に落ち、コレクターに到達することはありません。 2つ目のポイントは、エミッタ電流の99％がコレクタに拡散する場合にのみ、ベース電流がエミッタ電流の99％を制御する可能性があるということです。すべてがベースから流出した場合、制御は不可能です。

電子の99％をエミッタからコレクタに渡すことを説明する別の機能は、実際のバイポーラ接合トランジスタが小さな高濃度にドープされたエミッタを使用することです。エミッター電子の濃度が高いと、多くの電子がベースに拡散します。ベースのドーピング濃度が低いということは、エミッタに拡散する正孔が少なくなることを意味し、ベース電流が増加します。エミッタからベースへのキャリアの拡散が強く推奨されます。

薄いベースと高濃度にドープされたエミッタは、エミッタ効率を維持するのに役立ちます 高い、たとえば99％。これは、ベースを1％、コレクタを99％に分割する100％のエミッタ電流に相当します。エミッタ効率は、α=I _C として知られています。 / I _E 。

BJTの種類

バイポーラ接合トランジスタは、PNPおよびNPNデバイスとして利用できます。これら2つの比較を下の図に示します。違いは、回路図記号のエミッタ矢印の方向で示されるように、ベースエミッタダイオードの接合部の極性です。電流の流れに沿って、接合ダイオードのアノード矢印と同じ方向を指します。前の図のダイオード接合を参照してください。矢印とバーの点は、それぞれP型とN型の半導体に対応しています。 NPNおよびPNPエミッターの場合、矢印はそれぞれベースの方を向いています。コレクターには概略矢印はありません。ただし、ベース-コレクタ接合は、ダイオードと比較してベース-エミッタ接合と同じ極性です。注意してください、私たちは電源、極性ではなく、ダイオードについて話します。

（a）のNPNトランジスタと（b）のPNPトランジスタを比較してください。エミッタの矢印の方向と電源の極性に注意してください。

上の図に示すように、PNPトランジスタの電圧源はNPNトランジスタと比較して逆になっています。どちらの場合も、ベース-エミッタ接合は順方向にバイアスされている必要があります。 PNPトランジスタのベースは、NPNの正（a）と比較して負（b）にバイアスされています。どちらの場合も、ベース-コレクタ接合は逆バイアスされます。 PNPコレクタ電源は、NPNトランジスタの正と比較して負です。

バイポーラ接合トランジスタ：（a）ディスクリートデバイスの断面、（b）回路図記号、（c）集積回路の断面。

上の図（a）のBJTは、N +表記で示されているように、エミッターに大量のドーピングがあることに注意してください。ベースには通常のPドーパントレベルがあります。ベースは、実物大の断面が示すよりもはるかに薄いです。コレクターは、N-表記で示されるように軽くドープされています。コレクタ-ベース接合が高いブレークダウン電圧を持つように、コレクタは軽くドープする必要があります。これは、高い許容コレクタ電源電圧に変換されます。小信号シリコントランジスタのブレークダウン電圧は60〜80Vです。ただし、高電圧トランジスタの場合は数百ボルトに達する可能性があります。トランジスタが大電流を処理する必要がある場合は、オーム損失を最小限に抑えるために、コレクタも高濃度にドープする必要があります。これらの相反する要件は、金属接触領域でコレクターをより多くドープすることによって満たされます。ベース近くのコレクターは、エミッターと比較して軽くドープされています。エミッタに高濃度にドープすると、エミッタベースに小信号トランジスタの約7Vの低いブレークダウン電圧が与えられます。高濃度にドープされたエミッタは、エミッタ-ベース接合に逆バイアスのツェナーダイオードのような特性を持たせます。

BJT ダイ 、スライスおよびダイシングされた半導体ウェーハの一部は、パワートランジスタ用の金属ケースにコレクターを取り付けます。つまり、金属ケースはコレクターに電気的に接続されています。小信号ダイはエポキシでカプセル化することができます。パワートランジスタでは、アルミニウムボンディングワイヤがベースとエミッタをパッケージリードに接続します。小信号トランジスタダイは、リード線に直接取り付けることができます。 集積回路と呼ばれる単一のダイ上に複数のトランジスタを製造することができます。 。コレクターでさえ、ケースの代わりにリードに接着することができます。集積回路は、トランジスタおよび他の集積部品の内部配線を含み得る。 （上の図（c））に示されている統合BJTは、「縮尺どおりではない」図面よりもはるかに薄いです。 P +領域は、単一のダイ内の複数のトランジスタを分離します。アルミニウム金属化層（図示せず）は、複数のトランジスタと他のコンポーネントを相互接続します。エミッタ領域は高濃度にドープされており、エミッタ効率を向上させるためにベースおよびコレクタと比較してN +です。

ディスクリートPNPトランジスタは、NPNトランジスタとほぼ同じ高品質です。ただし、集積PNPトランジスタは、同じ集積回路内のNPNの種類がダイであるため、ほとんど適切ではありません。したがって、集積回路は可能な限りNPNの種類を使用します。

レビュー：

• バイポーラトランジスタは、同じデバイス内の電子と正孔の両方を使用して電流を流します。
• 電流増幅器としてのバイポーラトランジスタの動作には、コレクタ-ベース接合が逆バイアスされ、エミッタ-ベース接合が順バイアスされている必要があります。
• トランジスタは、ベース、中央層が非常に薄いという点で、一対のバックツーバックダイオードとは異なります。これにより、エミッタからの多数キャリアが少数キャリアとしてベースを介してベース-コレクタ接合の空乏領域に拡散し、そこで強い電界がそれらを収集します。
• エミッター効率は、コレクターと比較してより重いドーピングによって改善されます。エミッタ効率：α=I _C / I _E 、小信号デバイスの場合は0.99
• 電流ゲインはβ=I _C / I _B 、小信号トランジスタの場合は100〜300。

関連するワークシート：

• バイポーラ接合トランジスタ（BJT）理論ワークシート