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BJT バイポーラ接合トランジスタ

基本概念

BJT (Bipolar Junction Transistor) — 微小電流で大電流を制御する半導体素子です。

NPN:                    PNP:
      C (コレクタ)              C
      │                      │
    ┌─┴─┐                  ┌─┴─┐
  B │   │   Ic           B │   │   Ic
  ──┤   ├──              ──┤   ├──
    │   │                  │   │
    └─┬─┘                  └─┬─┘
      │                      │
      E (エミッタ)             E

矢印の方向 = エミッタ接合の順方向電流の方向
NPN: 矢印は外向き (N→P→N)
PNP: 矢印は内向き (P→N→P)

BJT の本質

2つの PN 接合が背中合わせになった構造:

NPN:  N ─ P ─ N
      E   B   C
      ↑   ↑
    BE接合 BC接合

BE 接合を順バイアス、BC 接合を逆バイアス → 増幅モード
コレクタ電流 Ic はベース電流 Ib によって制御される:
  Ic = β × Ib

β (hFE): 電流増幅率、典型値は 100〜400

3つの動作モード

モードBE 接合BC 接合Ic用途
遮断 (Cutoff)逆バイアス逆バイアス≈0スイッチ OFF
増幅 (Active)順バイアス逆バイアスβ・Ib増幅器
飽和 (Saturation)順バイアス順バイアスVcc/Rcスイッチ ON

スイッチモード

遮断: Ib = 0 → Ic = 0 → 開回路として動作
飽和: Ib > Ic/β → Vce ≈ 0.1~0.3V → 短絡として動作

スイッチとして使用する際:
  Rb = (Vdrive - Vbe) / Ib
  Ib ≥ Ic / β_min × 1.5  (深飽和を確保するため)
  Vbe ≈ 0.7V (シリコン管)

増幅モード

Ic = β × Ib
Ie = Ic + Ib = (β+1) × Ib

Vce = Vcc - Ic × Rc

基本増幅回路

共通エミッタ (Common Emitter) — 最も一般的

          Vcc
           │
           Rc
           │
        ┌──┴── Vout
        │
      C │
  ──┤├─B   NPN
  Rb   │
       E │
         │
        GND

利得: Av = -gm × Rc (位相反転!)
      gm = Ic / VT ≈ Ic/26mV (室温)

入力インピーダンス: ≈ Rb ∥ rπ (中程度、kΩ級)
出力インピーダンス: ≈ Rc

共通コレクタ / エミッタフォロワ

電圧利得 ≈ 1 (位相反転なし)
入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが低い
バッファとして使用

小信号モデル (ハイブリッド-π)

      B ──┬── rπ ───┬── C
         │          │
         │   ┌──────┤
         │   │  ↑   │
         └───┘ gm・Vπ│
                 │   │
                 E   │
                     │
                    GND

rπ = β / gm
gm = Ic / VT
ro = VA / Ic  (アーリー効果)

バイアス回路

固定バイアス (最も単純だが、温度ドリフトが大きい)

Vcc → Rb → Base
不安定であり、推奨されない

分圧バイアス (標準的な手法)

         Vcc
          │
          R1
          │
    ┌─────┼── Base
    │     │
    R1    R2
    │     │
    └─────┼── GND
          │
         Re (エミッタ抵抗 — 負帰還を提供し、動作点を安定化)
          │
         GND

Re を追加することで温度安定性が大幅に向上
Ce を Re に並列接続することで、交流利得を回復させる

MOSFET との比較

特性BJTMOSFET
制御量電流 (Ib)電圧 (Vgs)
入力インピーダンス低〜中 (kΩ)極めて高い (pA 級のリーク電流)
跨導 gmIc/VT (線形)2Id/(Vgs-Vth) (2乗則)
スイッチング速度遅い (電荷蓄積のため)速い
導通電圧降下Vce(sat)≈0.1VRds(on)×Id
ノイズ低い 1/f ノイズ高い 1/f ノイズ
コスト低い低い
ESD 耐性比較的強い非常に壊れやすい!

選定ガイド:

  • スイッチング用途 → MOSFET (高効率)
  • 低ノイズ増幅 → BJT
  • 大電流駆動 → MOSFET
  • 単純な LED/リレー駆動 → どちらでも可

ダーリントン管 (Darlington)

2つの BJT を直列接続し、合計 β = β₁ × β₂ (1000〜10000+ に達することも)

      C
      │
  B ──┤  Q1
      │  ├── E₁ → Q2 Base
      │
      E → Q2 エミッタ

欠点: Vbe が2倍になる (≈1.4V)、速度が遅い
典型例: TIP122 (NPN)、ULN2003 (7ch ダーリントンアレイ)

キーワード: BJT, NPN, PNP, β, 共通エミッタ, スイッチ, 飽和, 跨導, バイアス, ダーリントン

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