アクティブモード動作（BJT）
トランジスタが完全にオフの状態（スイッチが開いているなど）の場合、トランジスタは と呼ばれます。 カットオフ 。逆に、エミッターとコレクターの間で完全に導電性である場合（コレクターの電源と負荷が許す限り多くの電流をコレクターに流す）、 飽和と言われます。 。これらは 2つの操作モードです これまで、トランジスタをスイッチとして使用する方法について説明しました。
ただし、バイポーラトランジスタはこれらの2つの極端な動作モードに制限される必要はありません。前のセクションで学習したように、ベース電流はコレクタを流れる限られた量の電流に対して「ゲートを開きます」。制御電流のこの制限がゼロより大きく、電源と負荷回路で許可されている最大値よりも小さい場合、トランジスタはカットオフと飽和の間のどこかのモードでコレクタ電流を「スロットル」します。この動作モードはと呼ばれます アクティブ モード。
カットオフ、飽和、アクティブモード
トランジスタの自動車の例え 操作は次のとおりです。
カットオフモード- は、自動車の機械部品が自動車を動かすために発生する原動力がない状態です。カットオフモードでは、ブレーキがかかり（ベース電流がゼロ）、動きが防止されます（コレクター電流）。
アクティブモード - は、ドライバーが指示する一定の制御された速度（一定の制御されたコレクター電流）での自動車の巡航です。
S 成熟 - 急な坂を上る自動車は、ドライバーが望むほど速く進むことができません。言い換えれば、「飽和」自動車とは、アクセルペダルが踏み込まれた自動車のことです（ベース電流は、電源/負荷回路によって提供できるよりも多くのコレクタ電流を必要とします）。 SPICEシミュレーション用の回路を設定して、トランジスタがアクティブモードで動作しているときに何が起こるかを示しましょう。 （下の図）
バイポーラトランジスタシミュレーション i1 0 1 dc 20u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 2 0.05 .plot dc i（vammeter） 。終わり
「アクティブモード」のSPICEシミュレーション用の回路とネットリスト。
「Q」は回路図でのトランジスタの標準的な文字指定であり、「R」は抵抗を表し、「C」はコンデンサを表します。この回路には、バッテリー（V1）から電力を供給され、電流源を流れる電流によって制御されるNPNトランジスタがあります。 （I1）。
電流源は、特定の量の電流を出力し、端子間に同じ量または少ない電圧を生成して、正確な量の電流が流れるようにするデバイスです。電流源は、自然界で見つけるのが難しいことで有名です（対照的に、一定の電圧を維持しようとする電圧源とは異なり、そのタスクを実行するために同じくらいまたは少ない電流を出力します）が、電子部品の小さなコレクションでシミュレートできます。これから説明するように、トランジスタ自体は、電流源の定電流動作を模倣する傾向があり、調整することができます。 固定値での電流。
SPICEシミュレーションでは、電流源（I1）を20 µAの一定値に設定してから、電圧源（V1）を0〜2ボルトの範囲で変化させ、流れる電流の量を監視します。上の図の「ダミー」バッテリー（Vammeter）は、出力が0ボルトで、電流測定用の回路要素をSPICEに提供するだけです。
ベース電流が20µAで一定のスイープコレクタ電圧0〜2 Vは、飽和領域で一定の2mAコレクタ電流を生成します。
20 µAの定ベース電流は、コレクタ電流制限を2 mAに設定します。これは、正確に100倍です。 0〜2ボルトのバッテリー電圧の範囲でのコレクター電流の曲線がどれほど平坦であるかに注目してください（上の図）。この機能のないプロットの唯一の例外は、バッテリーが0ボルトから0.25ボルトに増加する最初の部分です。そこで、コレクタ電流は0アンペアからその限界である2mAまで急速に増加します。
バッテリー電圧をより広い範囲（今回は0〜50ボルト）で変化させた場合にどうなるか見てみましょう。ベース電流を20µAで安定させます。 （下の図）
バイポーラトランジスタシミュレーション i1 0 1 dc 20u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 .plot dc i（vammeter） 。終わり
コレクタ電圧を0〜50 Vに掃引し、ベース電流を20 µAで一定にすると、2mAのコレクタ電流が一定になります。
同じ結果！上の図のコレクター電流は2mAで安定していますが、バッテリー（v1）の電圧は0から50ボルトまで変化します。私たちのシミュレーションから、コレクターからエミッターへの電圧は、非常に低いレベル（0ボルトのすぐ上）を除いて、コレクター電流にほとんど影響を与えないように見えます。トランジスタは電流レギュレータとして機能し、コレクタを介して正確に2 mAを許可し、それ以上は許可しません。
次に、制御（I1）電流を20 µAから75 µAに増やし、バッテリー（V1）電圧を0から50ボルトにスイープし、コレクター電流を下の図にグラフ化するとどうなるかを見てみましょう。
バイポーラトランジスタシミュレーション i1 0 1 dc 75u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u .plot dc i（vammeter） 。終わり
コレクター電圧を0〜50 V（.dc v1 0 50 2）に掃引し、ベース電流を75 µAで一定にすると、7.5mAのコレクター電流が一定になります。他の曲線は、DC分析ステートメント（.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u）の電流掃引（i1 15u 75u 15u）によって生成されます。
当然のことながら、SPICEは同様のプロットを提供します。0ボルトのすぐ上から50ボルトまでのバッテリー電圧の範囲で、今回はベース電流の正確に100倍の7.5mAで安定したフラットラインを示します。ベース電流がコレクタ電流の決定要因であるように見えます。V1バッテリ電圧は、特定の最小レベルを超えている限り、関係ありません。
この電圧/電流の関係は、抵抗器の両端で見られるものとはまったく異なります。抵抗を使用すると、抵抗の両端の電圧が増加するにつれて電流が直線的に増加します。ここで、トランジスタを使用すると、エミッタとコレクタ間の電圧がいくら高くなっても、エミッタからコレクタへの電流は固定された最大値に制限されたままになります。
多くの場合、下の図のように、異なるベース電流の複数のコレクタ電流/電圧グラフを同じグラフに重ね合わせると便利です。特定のトランジスタのこのような曲線の集まり（ベース電流の異なるレベルごとに1つの曲線がプロットされます）は、トランジスタの特性曲線と呼ばれます。 ：
さまざまなベース電流に対するコレクタ電流とコレクタ-エミッタ間電圧の関係。
グラフの各曲線は、トランジスタのコレクタ電流を反映しており、特定の量のベース電流に対して、コレクタからエミッタへの電圧の範囲にわたってプロットされています。トランジスタは電流レギュレータとして機能する傾向があり、コレクタ電流をベース電流によって設定された比率に制限するため、この比率を標準のトランジスタ性能測定値として表すと便利です。具体的には、コレクタ電流とベース電流の比率は、ベータとして知られています。 比率（ギリシャ文字βで表されます）：
β比は「h 」と呼ばれることもあります fe 、」 「ハイブリッドパラメータ」として知られる数学的半導体分析の分野で使用されるラベル 」は、詳細な方程式を使用してトランジスタの性能を正確に予測することを目的としています。ハイブリッドパラメータ変数は多数ありますが、それぞれに一般文字「h」と特定の添え字が付けられています。変数「hfe」は、コレクタ電流とベース電流の比率を表すもう1つの（標準化された）方法であり、「β」と交換可能です。β比率は単位がありません。
トランジスタのβは、その設計によって決まります。製造後に変更することはできません。 物理的変数がβに影響を与えるため、同じ設計の2つのトランジスタが完全に一致することはまれです。回路設計が複数のトランジスタ間の等しいβ比に依存している場合、トランジスタの「一致したセット」を追加料金で購入できます。ただし、このような依存関係を持つ回路を設計することは、一般的に悪い設計手法と見なされます。
トランジスタのβは、すべての動作条件で安定しているわけではありません 。実際のトランジスタの場合、β比は動作電流制限内で3倍以上変動する可能性があります。たとえば、宣伝されているβが50のトランジスタは、コレクタ電流の量、トランジスタの温度、増幅された信号の周波数などの要因に応じて、30から100までのIc / Ib比でテストできます。チュートリアルの目的では、任意のトランジスタに対して一定のβを想定するのが適切です。実生活はそれほど単純ではないことを理解してください！
複雑な電子部品を、より単純で理解しやすい部品のコレクションで「モデル化」することが理解に役立つ場合があります。下の図のモデルは、多くの電子機器の入門テキストで使用されています。
エレメンタリダイオード抵抗トランジスタモデル。
このモデルは、トランジスタをダイオードとレオスタット（可変抵抗器）の組み合わせとしてキャストします。ベースエミッタダイオードを流れる電流は、コレクタエミッタレオスタットの抵抗を制御し（2つのコンポーネントを結ぶ破線で示されているように）、コレクタ電流を制御します。示されている図では、NPNトランジスタがモデル化されていますが、PNPトランジスタはわずかに異なります（ベース-エミッタダイオードのみが反転します）。
このモデルは、トランジスタ増幅の基本概念、つまりベース電流信号がコレクタ電流をどのように制御できるかを説明することに成功しています。ただし、このモデルは、特定の量のベース電流に対するコレクタ-エミッタ間抵抗の設定量の概念を誤って伝えています。これが本当なら、トランジスタは調整しません 特性曲線が示すように、コレクタ電流はまったくありません。コレクター-エミッター電圧が増加するにつれてコレクター電流曲線が短時間上昇した後に平坦になる代わりに、コレクター電流はコレクター-エミッター電圧に正比例し、グラフ上で直線的に着実に上昇します。
より高度な教科書によく見られる、より優れたトランジスタモデルを下の図に示します。
トランジスタの電流源モデル。
トランジスタをダイオードと電流源の組み合わせとしてキャストし、電流源の出力はベース電流の倍数（β比）に設定されます。このモデルは、トランジスタの実際の入力/出力特性をより正確に表現します。ベース電流は、一定量のコレクタ電流を確立します 、一定量のコレクター-エミッター抵抗ではなく、 最初のモデルが示すように。また、このモデルは、トランジスタ回路のネットワーク解析を実行するときに好まれます。電流源は、よく理解されている理論上のコンポーネントです。残念ながら、電流源を使用してトランジスタの電流制御動作をモデル化すると、誤解を招く可能性があります。トランジスタがソースとして機能することは決してありません。 電気エネルギーの。電流源は、そのエネルギー源が増幅器のように外部電源であるという事実をモデル化していない。
レビュー：
- トランジスタはアクティブであると言われています 完全にオン（飽和）と完全にオフ（カットオフ）の間のどこかで動作している場合はモード。
- ベース電流はコレクタ電流を調整します。 規制 、ベース電流で許容されるよりも多くのコレクタ電流が存在できないことを意味します。
- コレクタ電流とベース電流の比率は「ベータ」（β）または「hfe」と呼ばれます。
- β比はトランジスタごとに異なり、
- βはさまざまな動作条件で変化します。
関連するワークシート：
- アクティブモードワークシートのバイポーラ接合トランジスタ
産業技術