BJTトランジスタの働きとは？

バイポーラ接合トランジスタ (BJT) は、3つの半導体層から構成されて2つのPN接合を形成する、3端子の電流制御型トランジスタです。ベースに流れる小さな電流が、コレクタ-エミッター間のはるかに大きな電流を制御します。電子と正孔の両方を用いて電流を形成するため、バイポーラと呼ばれます。BJTトランジスタは、オーディオ アンプからカレント ミラーまで、アナログ電子回路の主力部品です。

基本的なデバイスファミリーの詳細については、「トランジスタとは何か」を参照してください。動作原理の詳細については、「トランジスタの動作原理」を参照してください。

BJTの動作原理

小さなベース電流が2つの接合にバイアスを与えることで、はるかに大きなコレクタ-エミッター電流が流れるようになり、その比は電流増幅率 (β) で決まります。

実際には、BJTはそのバイアスに応じて3つの領域のいずれかで動作します。

バイポーラ トランジスタは主に3つの領域で動作します。

  • カットオフ領域: トランジスタはオフ状態であり、コレクタ電流は流れません。
  • 活性領域: トランジスタは線形的に動作し、信号を増幅することができる。
  • 飽和領域: トランジスタは完全にオンになり、閉じたスイッチのように動作します。

増幅回路では、トランジスタは通常アクティブ領域にバイアスされ、信号増幅が可能になります。一般的な構成として、アナログ回路で広く用いられている共通エミッター増幅回路があります。

BJTの種類

バイポーラトランジスタ (BJT) には相補的な2つの極性があり、一般的に次の2種類があります。

  • NPN: デフォルトであり、最も一般的なタイプ。ベースがエミッターに対して正の方向に駆動されるとオンになります。
  • PNP: 鏡像で、ベースがエミッターより下に引っ張られるとオンになり、ハイサイドスイッチや相補型出力段で使用されます。

この2つは、プッシュプル段や相補型増幅段でよく組み合わされます。

それぞれの導通の仕組みについて詳しくは、「トランジスタの仕組み」を参照してください。

MOSFETとは？

MOSFET (金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)は、電界効果トランジスタの一種で、3端子の電圧制御型トランジスタです。ベース電流の代わりに、絶縁ゲートにかかる電圧によってドレインとソース間の電流が制御されます。

その違いは、基となるMOS構造にあります。つまり、ゲート電極が薄い酸化膜によってシリコンから分離されている点です。この絶縁された金属酸化膜半導体の電界構造により、MOSFETは、絶縁ゲートではなく逆バイアスされたPN接合で電流を制御する接合型FET (JFET) と区別されます。MOSトランジスタは、現代の集積回路、マイクロプロセッサ、CMOSデジタル ロジックの基盤となっています。

全体像を把握するには、 MOSFETの仕組みと電界効果トランジスタ (FET) とは何かをご覧ください。

ゲート端子とゲート容量

MOSFET (金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ) は、電界効果トランジスタの一種で、3端子の電圧制御型トランジスタです。ベース電流の代わりに、絶縁されたゲートに印加する電圧によって、ドレイン-ソース間の電流を制御します。

その違いは、基となるMOS構造にあります。つまり、ゲート電極が薄い酸化膜によってシリコンから分離されている点です。この絶縁された金属酸化膜半導体の電界構造により、MOSFETは、絶縁ゲートではなく逆バイアスされたPN接合で電流を制御する接合型FET (JFET) と区別されます。MOSトランジスタは、現代の集積回路、マイクロプロセッサ、CMOSデジタル ロジックの基盤となっています。

全体像を把握するには、 MOSFETの仕組みと電界効果トランジスタ (FET) とは何かをご覧ください。

ボディ ダイオード

すべてのパワーMOSFETには、内部構造の副産物として、ソース-ドレイン間に寄生ボディ ダイオードが存在します。このダイオードは、ゲート電圧に関係なく、ドレインがソースより低い電位に引き下げられると常に導通します。多くの設計では、これは厄介で考慮が必要な要素ですが、別の設計では不可欠です。モーター制御回路やHブリッジ回路では、ボディダイオードがMOSFETのオフ直後に誘導性のフリーホイール電流の経路を提供し、電圧スパイクからデバイスを保護します。

BJTには同等の内蔵ダイオードがないため、これが誘導性負荷を伴うスイッチング用途で、MOSFETが主流となっている実用的な理由の一つです。

MOSFETの動作原理

ゲートに電圧を印加すると、薄い絶縁酸化膜層に電界が生じます。ゲート-ソース間電圧がしきい値を超えると、ドレインとソースの間に導通チャネルが形成されます。しきい値を下回るとチャネルは消失し、デバイスはオフになります。

ゲートは絶縁されているため、定常電流はほとんど流れません。そのため、MOSFETは駆動電力をほとんど必要とせず、非常に高速にスイッチングします。

詳細な構造と動作については、「MOSFETの動作原理」を参照してください。

このスイッチング動作が実際の回路でどのように現れるのか確認するには、 「MOSFETがスイッチとして動作する仕組み」をご覧ください。

MOSFETとBJTの違い

根本的な違いは、それぞれのデバイスの制御方法にあります。BJTは電流制御 (ベース電流) であるのに対し、MOSFETは電圧制御 (ゲート電圧) です。この一点の違いが、以下に挙げる実用上の相違点の大半を決定づけます。

 

MOSFETの電圧定格がどのように規定され、デバイスを比較する際にどのように適用するかについての詳細は、 「MOSFETの電圧定格: 降伏電圧仕様の読み方と適用方法」を参照してください。

熱挙動の行は、見た目以上に重要です。BJTは温度が上がると、一定のベース駆動電流に対してコレクタ電流が増加する傾向があり、さらに発熱が進む可能性があります。これは熱暴走として知られる正のフィードバック効果で、複数のBJTを並列接続して電流を分担させる場合に現実的なリスクになります。MOSFETは逆の挙動を示します。温度が上昇するとRDS(on) が増加し、流れる電流が減って温度が下がります。この自己平衡特性は、MOSFETを並列接続してより大きな電流を安全に扱える重要な理由です。一方、BJTを並列接続するには追加の配慮 (たとえばエミッター バラスト抵抗) が必要です。

これらの違いは、各デバイスが優位となる領域を説明します。BJTは高精度アナログ段で、MOSFETは高速かつ低駆動電力のスイッチングが明確な利点となるパワー エレクトロニクスやデジタル回路で広く用いられます。

BJTとMOSFETの使い分け

では、BJTとMOSFETはどのような場合に使い分けるべきでしょうか？各デバイスの利点は、その制御方法から直接的に生じます。スイッチング効率よりもシンプルさとコストを重視する場合は、BJTを使用します。マイクロコントローラーのGPIOから抵抗を介して駆動するBJTは、低電流スイッチングでは手早い解決策となることが多く、BJTは高精度リニア アンプやカレント ミラーにも適しています。パワー エレクトロニクス、モーター制御、デジタル回路など、効率、速度、低駆動電力を最重視する場合は、MOSFETを選択します。

結局のところ、BJTとMOSFETの選択 (MOSFETとBJTの選定における核心) は、安価でシンプルな電流制御デバイスを重視するか、効率的で高速な電圧制御デバイスを重視するかに帰着します。

現代のパワーMOSFET製品ファミリーでこれがどのように当てはまるかの例として、「OptiMOS™: インフィニオンのパワーMOSFETファミリー アーキテクチャの解説」を参照してください。

MOSFETとBJTに関するよくある質問

MOSFETとトランジスタでは、どちらが優れていますか？

どちらが普遍的に「優れている」というわけではありません。MOSFETもトランジスタの一種であるため、本当の論点はMOSFETとBJTの比較です。パワー エレクトロニクスやデジタル ロジックでは、MOSFETはスイッチング速度、効率、駆動の容易さで優位になりやすい一方、BJTは低電流スイッチングや高精度リニア増幅において、安価で扱いやすい選択肢であり続けています。適切な選択は用途によって異なります。上記の「BJTとMOSFETの使い分け」を参照してください。

高出力用途 (通常、数百V以上かつ数十A以上。例: モーター ドライブ、インバーター、トラクション システムなど) では、BJTではなくIGBT (絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ) が実際の選択肢となることが多いです。IGBTは、電圧制御が容易なMOSFET型の絶縁ゲートと、高電圧 大電流を効率的に扱えるバイポーラ出力段を組み合わせたものです。

実際には、高出力レベルでの現実的な選択は、BJT対MOSFETではなくMOSFET対IGBTとなることが多く、BJTは主に低出力またはレガシー設計に限って使われます。

はい。MOSFETはトランジスタの一種で、電界効果トランジスタ (FET) ファミリーに属します。BJTなどの他のトランジスタと異なる点は、ベース電流で制御するのではなく、絶縁ゲートを介した電圧で制御することです。

より広いカテゴリーについては、 「トランジスタとは何か」の記事、および「電界効果トランジスタ (FET) とは何か」の記事を参照してください。

MOSFETはスイッチとしてよく使われますが、それは用途の一つにすぎません。ゲート電圧に応じてチャネルが完全にオン/オフするため、非常に低い駆動電力と高速なスイッチング速度で効率的なスイッチとして機能します。これが、電力スイッチングやデジタル ロジックで主流となっている理由です。また、リニア領域で増幅器として動作させることもできます。

スイッチング用途をより詳しく知りたい場合は、「MOSFETがスイッチとして動作する仕組み」を参照してください。

タイプはNPNとPNPの2種類で、極性が異なります。ほとんどの回路ではNPNが標準的な選択肢であり、PNPは負荷をハイサイドでスイッチングする場合や、相補型出力段で使用されます。

デバイスを回路に適合させます。最大コレクタ-エミッター間電圧とコレクタ電流を余裕をもって扱えること、ベース駆動に必要な電流利得 (β) が十分であること、用途に十分な速度でスイッチングできることを確認してください。さらに、これらすべてが電力損失とパッケージの制約内に収まる必要があります。

ほとんどのスイッチングでは、RDS(on) が低いエンハンスメントモードNチャネルMOSFETが最も高効率です。ハイサイド スイッチングには、Pチャネル デバイスまたはゲートドライバを使用します。

デバイスの動作については、「MOSFETの動作原理」を参照してください。

電圧マージンも重要で、破壊電圧仕様の読み取り方法については MOSFET電圧定格:ブレークダウン電圧仕様の読み取り 方法や、OptiMOS™: インフィニオンのパワーMOSFETファミリーアーキテクチャの説明例を参考にしてください。

はい。インフィニオンは、電圧、電流、ゲイン、RDS(on) 、パッケージでトランジスタおよびMOSFETの製品ポートフォリオを絞り込めるオンライン製品検索ツールとパラメトリック検索を提供しています。さらに、設計を検証するためのSPICEモデルと評価ボードも提供しています。

BJTは、マイクロコントローラーのGPIOなどの制御信号から、通常は直列のベース抵抗を介してベースに電流を流し込むことで駆動します。スイッチとして使用する場合は、十分なベース電流を供給して完全に飽和させます。増幅器として使用する場合は、アクティブ領域でバイアスします。

ベース電流は、少なくともコレクタ (負荷) 電流を電流利得 β で割った値以上である必要があります。信頼性の高いスイッチングのために、設計者はマージンを持たせます。つまり、トランジスタを確実に飽和状態に保ち、オン状態の電圧降下を最小限に抑えるために、必要最低限よりも大きなベース駆動を行います。