バイポーラトランジスタ（BJT）とは？定義・動作原理と用途解説

バイポーラトランジスタ（BJT）の定義・動作原理と用途を図解と例でわかりやすく解説。増幅・スイッチ応用や特性（hFE）も詳述

バイポーラ接合型トランジスタ（BJTまたはバイポーラトランジスタ）は、2種類の半導体の接触によって動作するトランジスタの一種である。BJTは、増幅器、スイッチ、発振器として使用されることが多く、単体でも、また集積回路の部品として大量に使われている。

BJTは電子と正孔の両方が電流伝導に寄与するため「バイポーラ（双極性）」と呼ばれる。基本的には3つの領域（エミッタ、ベース、コレクタ）と3本の端子で構成され、材料とドーピングの順序によってNPN型とPNP型に分類される。

構造と極性

- NPN型：エミッタ（高ドープN）→ベース（薄く軽くP）→コレクタ（中・低ドープN）
- PNP型：極性が逆で、電流や電圧の極性も反転する。

エミッタは多数キャリア（NPNなら電子）を供給する役割、ベースはそのキャリアを制御する薄い層、コレクタはキャリアを回収する役割を担う。ベースは非常に薄く軽度にドーピングされることで、エミッタから注入された多数キャリアがコレクタへ効率よく到達する。

動作原理（簡潔な説明）

代表的な動作モードは次のとおりで、半導体接合の順方向/逆方向バイアスにより決まる：

• 活性領域（Forward-active）：エミッタ-ベース接合を順方向に、ベース-コレクタ接合を逆方向にバイアスすると、エミッタから注入された多数キャリアがベースを通ってコレクタへ流れ、電流増幅作用が得られる。増幅用途で最も一般的な動作。
• 飽和領域（Saturation）：両接合が順方向にバイアスされる状態。トランジスタはONスイッチとして振る舞い、コレクタ-エミッタ間の電圧が低くなる。
• 遮断（Cutoff）：両接合が逆または非導通状態に近く、電流はほとんど流れない。OFF状態。
• 逆動作（Reverse-active）：エミッタとコレクタを逆に使ったときの動作で、増幅率が低下するため通常は利用されない。

基本的な電気特性

トランジスタの代表的な関係式：

I_C = β I_B（ベース電流 I_B に対するコレクタ電流 I_C）

ここで β（ベータ）は直流電流増幅率（h_FE と表記されることもある）を表す。もう一つの関連量に α（エミッタ－コレクタ間の電流比）があり、β = α/(1 − α) で表される。

実際のβ（h_FE）の値は素子の種類、動作点（電流・電圧）、温度によって大きく変わる。一般的には小信号用トランジスタで数十〜数百（例えばおおむね100〜300）、パワートランジスタでは20〜100程度のことが多い。データシートの条件（Ic、Vce、温度）を確認することが重要である。

用途

• アナログ増幅回路（小信号増幅・差動アンプ・出力段など）
• ディジタル回路のスイッチング素子（特に低〜中速の用途）
• 発振回路、電流源・電流ミラー、電圧レギュレータなどのアナログ回路ブロック
• パワー用途（電源回路のスイッチングや電力増幅）—この場合は放熱やサーマルランアウェイ対策が重要

設計上の注意点

• βは一定ではなく、バラつきや温度依存性があるため、回路設計では最悪ケースを想定するか、負帰還で利得を安定化する。
• 飽和状態でのβ低下、逆方向での性能低下、スイッチング時の蓄積電荷（飽和除去時間）などを考慮する必要がある。
• パワーBJTは温度上昇で電流が増加する可能性があり、放熱設計とバイアス安定化（サーミスタなど）が重要。

まとめ

BJTは、エミッタ・ベース・コレクタの3端子を持つ半導体素子で、エミッタから注入されるキャリアをベースで制御してコレクタ電流を増幅することにより動作する。増幅やスイッチ用途で広く使われ、小信号用から高出力用まで多様な種類が存在する。電流増幅率 h_FE（β）は重要な特性であり、デバイスや動作条件で大きく変化するため、データシートと実測を照らして回路設計することが重要である。

質問と回答

文字で検索