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トランジスタ(ベース・エミッタ・コレクタ) とらんじすた

4アマ 3アマ 三陸特 二陸特 一陸技

P 形と N 形の半導体を 3 層に重ねた素子で、中央の薄い層がベース、両側がエミッタとコレクタ。小さなベース電流で大きなコレクタ電流を制御する電流増幅作用をもちます。

試験ではここ

図記号の電極名が最頻出。矢印の付いた端子がエミッタ、縦線に直接つながる端子がベース、残りがコレクタ。穴埋めは「中間の層は薄く作られ、ベースという」。電流は IE=IB+IC で IC は IE よりわずかに小さい。増幅時のバイアスは B-E 間が順方向、C-B 間が逆方向。

トランジスタは「小さな電流で大きな電流を操る蛇口」です。ベースに少し電流を流すと、エミッタからコレクタへ何十倍もの電流が流れます。この性質を使って、無線機の中で信号を増幅したりスイッチを切り替えたりします。

NPN 形と PNP 形トランジスタの図記号。矢印のある電極がエミッタで、NPN は矢印が外向き、PNP は内向き
図記号の見分け方。矢印の付いた電極がエミッタ、縦線につながる電極がベース、残りがコレクタ
NPN トランジスタの 3 層構造の断面図。エミッタ N、薄いベース P、コレクタ N が並び、電流の矢印と電圧の向きが書かれている
3 層構造とバイアス。中央のベースは薄く、B-E 間は順方向、C-B 間は逆方向に電圧を加える
電流の関係
I_E = I_B + I_C

IE:エミッタ電流、IB:ベース電流、IC:コレクタ電流。IB はごく小さいので IC は IE よりわずかに小さい

電流増幅率(エミッタ接地)
I_C = h_{FE}\, I_B

hFE:エミッタ接地の直流電流増幅率(数十〜数百)。IB をわずかに増やすと IC は hFE 倍に増える

典型問題の解き方(図記号の電極名)

令和4年2月期 2陸特 問14:NPN 形の図記号で①②③の電極名は

  1. 矢印を探す 図記号で矢印が付いている電極はエミッタだけです。矢印のある③がエミッタと決まります
  2. 縦線を見る 中央の太い縦線に直接つながる電極がベースです。②がベースです
  3. 残りがコレクタ 矢印がなく斜めに出ている①がコレクタです。答えは「①コレクタ ②ベース ③エミッタ」
  4. 向きの確認 矢印が外向きなので NPN 形です。電流はベースからエミッタへ流れ出ます

接地方式はエミッタ接地が基本

3 つの接地方式

  • エミッタ接地 入力をベース、出力をコレクタから取り、エミッタを共通にします。電流も電圧も増幅でき、最もよく使われます
  • ベース接地 入力をエミッタ、出力をコレクタから取ります。電流増幅率は 1 弱ですが高周波に向きます
  • コレクタ接地 出力をエミッタから取ります。電圧増幅率はほぼ 1 で、入力インピーダンスが高くバッファに使います
エミッタ接地・ベース接地・コレクタ接地の 3 つの回路図を並べ、入力と出力の位置と特徴を示した図
3 つの接地方式。共通にする電極が名前になり、入力と出力の取り口が変わる

3アマでは、エミッタ接地回路でベース電圧 Vb を上げていくとコレクタ電流 Ic はどうなるかを問います。B-E 間は PN 接合の順方向なので、Vb を少し上げるだけで Ib が指数関数的に増え、Ic は急激に増加します。一方コレクタ電圧 Vc を変えても Ic はほとんど変わりません。

ひっかけ

「IC は IE よりわずかに大きい」は誤りで、IE=IB+IC なので IC は IE より小さいです。増幅に使うバイアスは B-E 順方向・C-B 逆方向で、両方順方向だと飽和、両方逆方向だと遮断になります。「ゲート」「ドレイン」はFETの電極名で、トランジスタの図記号にはありません。

先生の挿絵。実験台でトランジスタ回路を測る学生と、エミッタを指す先生
矢印のある電極がエミッタ。小さなベース電流で大きなコレクタ電流を操る

この用語を押さえる問題

二陸特 ・ 日本無線協会 令和4年2月期 無線工学 問14

図に示す NPN 形トランジスタの図記号において、次に挙げた電極名の組合せのうち、正しいのはどれか。

正答: ①=コレクタ ②=ベース ③=エミッタ

トランジスタの図記号では、縦の太線(ベース領域)に直接つながる端子がベース、矢印の付いた端子がエミッタ、矢印のない端子がコレクタです。NPN 形は矢印が外向きで、電流がベースからエミッタへ流れ出る向きを示します。したがって ① がコレクタ、② がベース、③ がエミッタです。

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二陸特 ・ 日本無線協会 令和2年10月期 無線工学 問14

次の記述の [ ]内に入れるべき字句の組合せで、正しいのはどれか。 接合形トランジスタは、三つの層から出来ている。中間の層は [A] く作られた構造をもち、その層を [B] といい、その両側の層を [C] という。

正答: A=薄 B=ベース C=コレクタ及びエミッタ

正しい組合せです。接合形トランジスタは npn 又は pnp の3層構造で、中間の薄い層をベース、両側の層をエミッタとコレクタといいます。

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二陸特 ・ 日本無線協会 令和2年2月期 無線工学 問14

図のようなトランジスタに流れる電流の性質で、誤っているのはどれか。

正答: ICは IEよりもわずかに大きい。

誤った記述です。IE = IC + IB の関係があるので、IC はエミッタ電流 IE よりもベース電流分だけわずかに小さくなります。これが正答です。

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二陸特 ・ 日本無線協会 CBT例題 無線工学 No.3 問14

次の記述において[ ]内に入れるべき字句の正しい組合せを下の番号から選べ。 ベース接地で NPN 形トランジスタを増幅に使う場合、ベース・エミッタ間の PN 接合面には[A]方向電圧を、コレクタ・ベース間の PN 接合面には[B]方向電圧を加えるのが標準である。

正答: A:順 B:逆

トランジスタを増幅に使う活性領域では、ベース・エミッタ間を順方向バイアスしてキャリアを注入し、コレクタ・ベース間を逆方向バイアスしてそのキャリアをコレクタに引き込みます。接地方式が変わってもこのバイアスの原則は同じです。

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問われた問題 26

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