トランジスタとは：増幅とスイッチの仕組み・種類・用途を解説

トランジスタの仕組み・増幅とスイッチの違い、主な種類（BJT/MOSFET）や用途、選び方まで図解でわかりやすく解説。電子工作や設計の入門に最適。

トランジスタは、増幅器の一部やスイッチとして使用される電子部品です。半導体材料でできています。トランジスタは、ほとんどの電子機器に搭載されている。トランジスタは、三極管に続く大きな進歩で、別の電子電流を切り替えたり増幅したりするために、より少ない電力で、何年も長持ちするようになった。

トランジスタは、アンプやコンピュータのマイクロプロセッサのデジタルスイッチなど、さまざまなものに利用することができる。デジタル作業では、ほとんどMOSFETが使われている。トランジスタの中には、主に大電力を扱うために個々にパッケージ化されたものもある。ほとんどのトランジスタは集積回路の中に入っている。

トランジスタの基本的な仕組み（増幅とスイッチ）

• 増幅（アナログ動作）：入力側に小さな信号を与えると、トランジスタ内部の動作により出力側でより大きな電流や電圧が得られます。例えば、BJT（バイポーラトランジスタ）ではベース電流のわずかな変化がコレクタ電流の大きな変化を引き起こし、電力や電圧の増幅が可能です。増幅用途では線形性（出力が入力に比例すること）や雑音、周波数特性が重要になります。
• スイッチ（デジタル動作）：トランジスタをオン（導通）とオフ（非導通）の2状態で使い、高速に電流の流れを切り替えます。MOSFETのような電圧制御（ゲート）型トランジスタは、ロジック回路や電源管理で多用されます。スイッチ用途では導通時のオン抵抗（Rds(on)）やスイッチング損失、ターンオン／ターンオフ速度が重要です。

主な種類と特徴

• BJT（バイポーラ接合トランジスタ）：NPN／PNPの2種があり、ベース電流でコレクタ電流を制御する「電流制御」デバイス。増幅器での使用に適し、低いオン抵抗や高いゲインを得やすい反面、ベース電流が必要です。
• MOSFET（メタル酸化膜半導体FET）：ゲート電圧でチャネルのオン／オフを制御する「電圧制御」デバイス。デジタル回路や電力スイッチに広く使われます。高入力インピーダンスと高速スイッチングが長所です（本文中のリンク：MOSFETが）。
• JFET（接合型FET）：電圧制御だがMOSFETより構造が単純でアナログ回路の入力段などに用いられることがあります。
• IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）：MOSFETのゲート駆動性とBJTの低飽和電圧を組み合わせた高電力用デバイス。インバータやモータードライバに多用されます。
• 特殊トランジスタ：RF用の高周波トランジスタ、フォトトランジスタ（光検出）、高電力用パワートランジスタなど、用途に応じて多種あります。

端子と回路での配置（記号・基本接続）

• BJT：エミッタ（E）、ベース（B）、コレクタ（C）。代表的な増幅回路構成に「共通エミッタ」「共通コレクタ（エミッタフォロワ）」「共通ベース」があります。
• FET（MOSFET等）：ソース（S）、ゲート（G）、ドレイン（D）。Nチャネル／Pチャネルがあり、配置や極性に注意して回路設計します。

主要な性能指標と選び方

• 増幅率（BJTのhFE、β）：同じベース電流に対してどれだけコレクタ電流を得られるかを示します。
• しきい値電圧（MOSFETのVth）：ゲート電圧がこれを超えるとチャネルが導通を始めます。
• オン抵抗（Rds(on)）：導通時の抵抗で、パワー損失や発熱に直結します。低いほど効率的です。
• 耐圧（Vceo/Vds）と最大電流：扱える電圧・電流の上限。用途に応じて余裕をもって選ぶことが重要です。
• 周波数特性（ft）：高周波で増幅できる限界。RF用途では高いftが必要です。
• 熱特性（定格損失、熱抵抗）：発熱対策の必要性を決めます。大電力用途では放熱器（ヒートシンク）や放熱設計が不可欠です。

用途と応用例

• オーディオや計測器のアナログ増幅回路
• マイクロプロセッサやメモリなどのデジタルロジック（集積回路中の多数のトランジスタ）
• 電源スイッチング（DC–DCコンバータ、モータードライバ、インバータ）
• 無線通信のRF増幅器や発振回路
• センサーインタフェース（温度センサや光センサの増幅・整形）

取り扱い上の注意点

• 静電気に弱い：特にMOSFETはゲートの絶縁膜が薄く、静電気で破壊されることがあります。静電気対策（アース、帯電防止手袋）を行ってください。
• 発熱管理：許容損失を超えると熱暴走します。放熱器や適切なパッケージ選定、使用環境温度の考慮が必要です。
• 動作領域の理解：増幅動作では線形領域、スイッチ動作では飽和／カットオフ領域を利用します。設計時に正しいバイアスや駆動回路を設けてください。
• 保護回路：過電流保護、過電圧保護、スナバ回路などを用いると信頼性が上がります。

まとめ（選び方のポイント）

• 用途（増幅かスイッチか、アナログかデジタルか）を明確にする。
• 必要な電圧・電流・周波数特性・熱条件を満たすデバイスを選ぶ。
• パッケージ、制御方法（電流制御か電圧制御か）、および保護手段も考慮する。
• 集積回路では数十億個のトランジスタが微細化された形で集積されており、用途に応じて「個別ディスクリート」か「IC」かを選ぶ。

トランジスタは現代の電子機器の基礎部品であり、その種類・特性を理解することは回路設計や機器選定において非常に重要です。基本を押さえたうえで、データシートの仕様を確認し、適切な保護と放熱設計を行ってください。

仕組み

トランジスタには、ゲート、ドレイン、ソースという3つの端子がある（バイポーラトランジスタでは、エミッタ、コレクタ、ベースと呼ばれることもある）。ソース（エミッタ）を電池のマイナス端子に、ドレイン（コレクタ）をプラス端子に接続すると、回路に電気は流れない（トランジスタにランプを直列に接続しただけの場合）。しかし、ゲートとドレインを接触させると、トランジスタは電気を通すようになる。これは、ゲートがプラスに帯電していると、プラス電子がトランジスタ内の他のプラス電子を押して、マイナス電子が流れるからです。また、ゲートが正に帯電しているだけでもトランジスタは動作するので、ドレインに触れている必要はない。

可視化

トランジスタの仕組みを簡単に説明すると、ホースに急カーブがあり、水が通らないようになっている。水とは電子のことで、ゲートを正電荷で充電すると、ホースの曲がりが解けて水が流れるようになる。

ダーリントントランジスタの基本回路は、2つのバイポーラトランジスタをエミッタとベースに配線し、1つのトランジスタとして動作させるものである。一方のトランジスタは、もう一方のトランジスタのベースへの電流を制御するように接続されています。つまり、ベースに流れる電流を非常に少なくして、同じ量の電流を制御することができる。

センターピンに電力が供給されると、電力が流れるようになります。


ダーリントントランジスタの回路記号。Bはベース、Cはコレクター、Eはエミッターを表す。

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