トランジスタの原理

サイトをお借りしますm(_ _)m
http://www.nteku.com/toransistor/Default.aspx
http://www.nteku.com/pic/トランジスタ原理.gif


このサイトの【トランジスタの原理】の説明で、

＞エミッタ、ベース間に 電圧が印加されていない場合は、コレクタ、ベース間は逆電圧ですから電流は流れません。

とあるのですが、なぜコレクタ、ベース間は逆電圧になるのでしょうか？
Vb、Vcの電池の向き（プラスの向き）は同じ右方向ですし、
そもそもベース電圧Vbが印加されてないとしたらベース電圧Vbは
その両端に電圧差がない導線と同じような扱いにはならないのでしょうか？

質問者からの補足コメント

• 画像１

  
    補足日時：2015/12/12 22:34

• 画像２

  
    補足日時：2015/12/13 03:22

• 画像３

  
    補足日時：2015/12/14 01:19

No.2 ベストアンサー 回答者： xpopo 回答日時： 2015/12/12 10:35

ベースはｐ層でコレクタはｎ層でベースに対してコレクタの方が高い電圧をかけてますからコレクタのｎ層からベースのｐ層ｎ方向に電流を流す方向の電圧がかかってることになります。

　ｐｎ接合はｐからｎの方向（順方向という）は電流を流せますが、ｎからｐへの方向（逆方向という）へは電流を流せません。ですからベースとコレクタ間にコレクタの方が電圧が高くなるように電圧を印加した場合はベースーコレクタ間はｐｎ接合に対して逆方向に電圧が印加されてることになるので電流は流れません。
　一方、ベースとエミッタの接合もベースをｐ、エミッタをｎとするｐｎ接合です。ベースーエミッタ間の接合にベースのｐからエミッタのｎの方向に電流が流れるように電圧が印加された場合はベースーエミッタ間接合に電流が流れますが、電圧を印加しない場合はベースからエミッタへは電流が流れません。
　この場合、ベースとエミッタ間は導線と同じような扱いにはなりません。導線の場合は導線の中は電圧を印加すれば電子が自由に電圧と反対方向に動ける構造になってるため微小な電圧でもすぐに電子が流れ、電流が流れます。電圧がゼロなら両端の電位は等しくなります。この場合、導線の端子間の抵抗は非常に小さい。
　しかし、トランジスタの場合、ｐｎ接合の構造になってるのでｐからｎへの、順方向に電流を流す場合、電圧が約０．７Ｖより小さい場合は電流は極端に小さい電流しか流せません。言い換えればベースーエミッタ間電圧が約０．７Ｖより低い場合は抵抗が非常に大きくなります。そして電圧が低ければ低いほどその抵抗値は大きくなります。電圧が０．７Ｖを超えると抵抗は非常に小さくなります。
　ですからベースーエミッタ間に電位差がない場合は”ベースとエミッタ間は導線の場合と異なり非常に大きな抵抗（数ＭΩ以上）になる”という点で扱いが同じにはなりません。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

＞ｐｎ接合の構造になってるのでｐからｎへの、順方向に電流を流す場合、電圧が約０．７Ｖより小さい場合は電流は極端に小さい電流しか流せません。
つまりこれは空乏層による逆電圧が約０．７Ｖかかってるのでほとんど電流が流れないという認識でよろしいでしょうか？

自分がトランジスタを理解する上で一番気になるというか障害になっているのは
ベース層の厚さが非常に薄いということで、
そもそもベース層が逆方向に流れる電流を妨げる効果があるのか疑問なのです。。。
空乏層を作るだけの厚さがあるのでしょうか？
自分のイメージとしてはベースがｐ型だとしたらプラスのホールが立て一列しかないイメージで
なにもしなくてもn型にある電子がほとんど素通りしてしまうんじゃないか？と思えてしまいます。。

添付画像１を見てもらいたいのですが、
仮にｐ層の（プラス）ホールが縦3列だった場合でVbが印加されていない場合に
ｎ層に接しているそれぞれに空乏層ができて、それによる電圧が発生してると思うのですが
このようなイメージで良いのでしょうか？
また、ここからVbを印加した場合にどのような電子の流れで
空乏層による電圧を通り越して電流が流れていくのかがあまりイメージできません・・・
何か動画や電子の流れの一連の画像があればイメージし易いとは思うのですが。。。

お礼日時：2015/12/12 22:35

No.9 回答者： d9win 回答日時： 2015/12/15 19:20

バイポーラ トランジスタの動作はかなり込み入っていて、厳密な説明はなかなか無いようです。

例外として、東工大講義ノート"パワーデバイス特論"平成27年度後期の補足資料にある"pinダイオードとバイポーラトランジスタの動作原理"があります。
通常の説明とかなり異なってますが、論理はそれなりにしっかりしています。
(サイトアドレスが長過ぎて表示されないので、東工大ocw/大学院理工学研究科/"パワーデバイス特論"を辿るのがよいと思います)

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
読んでみたのですが、知らない単語結構多くて^^;なかなか理解が大変です。
たしかにこの分野は厳密に知ろうとするとそれなりのレベルが必要ですね。。
とりあえず参考になりました。

お礼日時：2015/12/16 15:06

No.8 回答者： tknakamuri 回答日時： 2015/12/14 11:19

>N型半導体というのは負に帯電はしていません。

>多数キャリアの意味を取り違えています。
>電気的には中性であることをお忘れなく。


読みが足りませんでした。空乏層内の電荷の
ことなんですね。申しわけない。

確かに左側にホールを埋める負電荷が溜まりますが、
それが電子に対するポテンシャルの障壁を作ることは
ないです。

なぜそうなるかは、空乏層の電荷、電界、電位分布を
具体的に計算してみないとなかなか納得できないと
思います。

空乏層内では電荷密度はー定とみなしてよいので
結構簡単に計算できます。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

＞なぜそうなるかは、空乏層の電荷、電界、電位分布を具体的に計算してみないとなかなか納得できないと思います。
tknakamuriさんは簡単だと仰っていますが、自分にとっては難しそうですね^^;
ただ納得するためにはやっぱり知りたいので、
（できるだけ分かりやすい）そういう計算や考え方が乗っているサイトなどはありますか？
あるいはもし宜しければその計算式のようなものを教えて頂けないでしょうか？

お礼日時：2015/12/14 23:41

No.7 回答者： xpopo 回答日時： 2015/12/14 10:13

回答NO.5です。

　まだ、しっくり理解されてないようですね。追加の疑問について以下に回答します。

＞ん～、どうしても理解できないというかひっかかってる部分は
＞その図にもあるように欠乏層のなかにマイナス電子（ｄ）の箇所）が入り込んでるところです。
＞自分の添付画像３を見てほしいのですが、
＞上の図で電子が左のマイナス電子と右のプラス電荷？の間にあれば
＞たしかにその間にある電子にはプラスの方へ力が働くと思うのですが、
＞そもそもエミッタから流れてきてベースに入った電子は
＞最初はまだ空乏層の左側にありますよね？
＞だとすると画像３の下の図のように空乏層のマイナス電子の壁に跳ね返れて
＞近づけないと思うのですが、、、

回答＞＞まず、画像３ｄ示されて丸で囲まれたプラスとマイナスの記号の部分ですがこの部分は空乏層なので大きな電界が発生してますが空乏層の左端から左側は電位差は無いです。つまり電子を跳ね返すような電界は存在してません。ですからエミッタからベース領域に入った電子の一部は拡散で空乏層の左端まで容易に到達します。

＞これはVbを印加したことによってベースのホールに入る電子の勢いで
＞その跳ね返す壁を突破するのでしょうか？

回答＞＞VBの印加はエミッタ－ベース間の空乏層を乗り越えるため（空乏層を小さくする）効果を与えます。その結果エミッタからべース領域に電子が移動できるようになったということです。。ですから加速というより、乗り越えられない壁としてあったエミッタ－ベース間の空乏層という電位障壁をVBによって低くしたおかげで電子がベース領域に流れ込むっていうことです。

＞でも空乏層にはたしかに左にマイナスの電子があり右側にはプラスのホール？があって
＞電界を作ってるんですよね？


回答＞＞ベース－コレクタ間に印加された電圧によってベース領域のコレクタのｎ層と接している近傍の領域の少数キャリアの電子はコレクタとの境界から反対側に遠ざけられている状態が空乏層です。空乏層の左端からエミッタとの境界までの領域では電子の密度は一定でこの領域には電界は存在しません。

＞もう一つ確認したいのですが、上のサイトでも書いてあるように
＞エミッタ、ベース間に 電圧が印加されていない場合は
＞コレクタ、ベース間の電圧があっても電流は流れないのですよね？

回答＞＞エミッタ、ベース間に 電圧が印加されていない場合はエミッターベース間に空乏層ができます。その空乏層の効果でエミッタからベース方向へは電位障壁ができて電子はベース領域へ拡散でないので電流は流れないということになります。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

＞空乏層の左端からエミッタとの境界までの領域では電子の密度は一定でこの領域には電界は存在しません。
この電子の密度は一定というのがポイントだと思うのですが、
なぜ電子の密度が一定だと電界は存在しなくなるのでしょうか？
例えば、電子が1つ空間などに存在してれば電界というのは発生しないのでしょうか？
（マイナス）の電子と（プラス）の電荷がある空間に一定の密度で同じ数だけ混在してるなら
打ち消し合って？電界は存在しないというイメージはできなくもないのですが・・・

ただみなさんのおかげ様で、トランジスタに電流が流れるイメージはできたと思います。
要は水道の蛇口（ベース）で水の量を調整するようなもんですよね？
少し開いただけでも結構の量が流れていくと。

お礼日時：2015/12/14 23:35

No.6 回答者： tknakamuri 回答日時： 2015/12/14 05:43

>右側のPN接合は印加電圧に対して順方向なので

>空乏層は出来ないです。

あ、図の左右を間違えました。

「左側のPN接合は印加電圧に対して順方向なので
空乏層は出来ないです。」より正確には

「左側のPN接合は印加電圧に対して順方向なので
空乏層は縮小します。」ですね。

>右側（pn）の空乏層が決壊しないと黒のペンで囲んだ中の
>左側の電子が邪魔して（マイナス電子とマイナス電子は
>反発しますから）
>空乏層の中に入ることができないと思うのです。

N型半導体というのは負に帯電はしていません。
多数キャリアの意味を取り違えています。
電気的には中性であることをお忘れなく。

No.5 回答者： xpopo 回答日時： 2015/12/13 13:05

回答NO.2です。

お礼、ありがとうございます。お礼の欄の都岡質問について以下に回答します。

＞ｐｎ接合の構造になってるのでｐからｎへの、順方向に電流を流す場合、電圧が約０．７Ｖより小さい場合は電流は極端に小さい電流しか流せません。
＞つまりこれは空乏層による逆電圧が約０．７Ｖかかってるのでほとんど電流が流れないという認識でよろしいでしょうか？

回答＞＞空乏層を乗り越えて電流を流すための電位として０.7V近い電圧が必要になるということですので０．７V相当のポテンシャル電位があると考えればいいと思います。

＞自分がトランジスタを理解する上で一番気になるというか障害になっているのは
＞ベース層の厚さが非常に薄いということで、
＞そもそもベース層が逆方向に流れる電流を妨げる効果があるのか疑問なのです。。。
＞空乏層を作るだけの厚さがあるのでしょうか？

回答＞＞ベースの厚みは空乏層よりは厚くなるように作られています。もし、それでも印加電圧によって空乏層が厚くなってベース幅を超えれば耐圧不良を起こして大量の電流が流れてトランジスタは破壊されてしまいます。

＞添付画像１を見てもらいたいのですが、
＞仮にｐ層の（プラス）ホールが縦3列だった場合でVbが印加されていない場合に
＞ｎ層に接しているそれぞれに空乏層ができて、それによる電圧が発生してると思うのですが
＞このようなイメージで良いのでしょうか？

回答＞＞その通りですが、「電圧が発生してる」ということではなくて「電界が発生してる」ということです。

＞また、ここからVbを印加した場合にどのような電子の流れで
＞空乏層による電圧を通り越して電流が流れていくのかがあまりイメージできません・・・
＞何か動画や電子の流れの一連の画像があればイメージし易いとは思うのですが。。。

回答＞＞Vbを印加した場合を添付した図で説明します。図はベース領域を強調したＮＰＮ接合トランジスタの拡大図です。まず、図示されてませんが外部電源として１）エミッタ－ベース接合の順方向バイアス２）ベース－コレクタ接合の逆バイアスが接続されてると仮定します。
　多数キャリアのエレクトロンはバッテリーの（－）端子からエミッタへ入ります。ベース電流はそのエレクトロンに相当する量がベース端子から（＋）のバッテリー端子に向かって流れます。これはエミッタ電流に比べれば少ない電流です。
　Ｎ型のエミッタ内の多数キャリアのエレクトロンはＰ型のベースに入ると少数キャリアになります。これらのエレクトロンは薄いＰ型ベースに入って4つの結果に向かいます。一部のエレクトロン、図で（ａ）はベースのホールに入りバッテリーの（＋）端子への電流に寄与します。ベースのホールは図示されてませんがエミッタへ拡散しエレクトロンと結合してベース端子の電流に寄与します。（ｂ）の少量はあたかもベースが抵抗であるかのようにベースからバッテリーの（＋）端子へ流れます。（ａ）と（ｂ）両方はこの非常に小さいベース電流に寄与します。ベース電流は通常小信号トランジスタにおいてエミッタあるいはコレクタ電流の１％程度です。結果、エミッタ電流の９９％がコレクタへ流れ込みます。ほとんどのエミッタのエレクトロンは右へ薄いベースを通って（ｃ）ベース－コレクタ空乏層へ入ってゆきます。（ｄ）においてエレクトロンを囲んでいる空乏層の極性に注意。その強い電界はエレクトロンを素早くコレクタへ通過させます。この電界の強さはコレクタのバッテリー電圧に比例します。このようにエミッタ電流の９９％はコレクタへ流れ込みます。それはエミッタ電流の１％であるベース電流により制御されます。
　以上です。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
一つ一つ丁寧に説明して頂き感謝します。
ん～、どうしても理解できないというかひっかかってる部分は
その図にもあるように欠乏層のなかにマイナス電子（ｄ）の箇所）が入り込んでるところです。
自分の添付画像３を見てほしいのですが、
上の図で電子が左のマイナス電子と右のプラス電荷？の間にあれば
たしかにその間にある電子にはプラスの方へ力が働くと思うのですが、
そもそもエミッタから流れてきてベースに入った電子は
最初はまだ空乏層の左側にありますよね？
だとすると画像３の下の図のように空乏層のマイナス電子の壁に跳ね返れて
近づけないと思うのですが、、、
これはVbを印加したことによってベースのホールに入る電子の勢いで
その跳ね返す壁を突破するのでしょうか？
たぶん自分は電界というのを間違って理解してるような気がするのですが
でも空乏層にはたしかに左にマイナスの電子があり右側にはプラスのホール？があって
電界を作ってるんですよね？

もう一つ確認したいのですが、上のサイトでも書いてあるように
エミッタ、ベース間に 電圧が印加されていない場合は
コレクタ、ベース間の電圧があっても電流は流れないのですよね？

お礼日時：2015/12/14 01:20

No.4 回答者： tknakamuri 回答日時： 2015/12/13 06:21

右側のPN接合は印加電圧に対して順方向なので

空乏層は出来ないです。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
No.5のxpopoさんの図にもあるように右側のPN接合に空乏層がありますよね？
これはどう解釈すれば良いのでしょうか？

お礼日時：2015/12/14 01:17

No.3 回答者： tknakamuri 回答日時： 2015/12/12 23:49

>空乏層を作るだけの厚さがあるのでしょうか？

空乏層の厚みは普通0.2 μmくらい。

トランジスタのベースの厚みはl0 μmくらい。

>空乏層による電圧を通り越して電流が
>流れていくのかがあまりイメージできません・・・

エミッタからの電子は、ベースの中を拡散して
流れるので、空乏層までたどり着く電子が
当然有ります。

空乏層の中にたどり着けば、その強力な電解で
電子はコレクタへふっとばされます。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
なるほど、それだけの幅の余裕があれば空乏層はできますね。

＞空乏層の中にたどり着けば、その強力な電解で
＞電子はコレクタへふっとばされます。
まず確認なのですが、左右それぞれのnp、pnの場所に空乏層はできるのですよね？
そこでVbを印加した後の自分のイメージを表現した添付画像２を見てもらいたいのですが、
プラスのホールが下の導線からｐ層に流れ込んできて（逆に言えばｐ層から下の導線に電子が流れていって）
緑の線で囲んだ部分（見づらくてすみません。。）の空乏層が決壊？して
そこを通って左のｎ層からｐ層に電子が流れ込んで、
さらにｐ層から右のｎ層に電子が流れ込む
という自分のイメージなのですが、これで合っているのでしょうか？
ただtknakamuriさんは空乏層の中にたどり着くと仰っていますが、
右側（pn）の空乏層が決壊しないと黒のペンで囲んだ中の左側の電子が邪魔して（マイナス電子とマイナス電子は反発しますから）
空乏層の中に入ることができないと思うのです。。
この考え方は間違っているのでしょうか？

お礼日時：2015/12/13 03:24

No.1 回答者： tknakamuri 回答日時： 2015/12/12 09:32

逆電圧というのはPN接合の向きを基準にした言い方です。

Pにプラス、Nにマイナスを接続するのが順方向、
逆が逆方向です。

つまりPN接合が作るダイオードの電流が流れる
方向が順方向です。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
なるほど、そういう基準ですか。
参考になりました。

お礼日時：2015/12/12 22:30