半導体デバイス-はじめに

特定の原子の電子から核までの距離は等しくないことが広く見られています。通常、電子は明確に定義された軌道で回転します。特定の数の電子は、外殻または軌道によってのみ保持できます。原子の電気伝導度は、主に外殻の電子の影響を受けます。これらの電子は、電気伝導度に大きく関係しています。

導体と絶縁体

電気伝導は、電子の不規則な動きまたは制御されていない動きの結果です。これらの動きにより、特定の原子が良好な*電気伝導体*になります。そのようなタイプの原子を持つ物質は、その外殻または軌道に多くの自由電子を持っています。

それに比べて、*絶縁材料*の自由電子の数は比較的少ない。その結果、絶縁体の外殻電子はその位置をしっかりと保持する傾向があり、電流が流れることはほとんどありません。したがって、絶縁材料では、電気伝導性はほとんど発生しません。

半導体

導体と絶縁体の間には、半導体と呼ばれる原子（材料）の3番目の分類があります。一般に、半導体の導電率は、金属と絶縁体の導電率の間にあります。ただし、絶対零度温度では、半導体は完全な絶縁体のようにも機能します。

シリコン*および*ゲルマニウム*は最もよく知られている半導体素子です。酸化銅、硫化カドミウム、およびヒ化ガリウムは、頻繁に使用される他の半導体化合物です。これらの種類の材料は、通常、タイプIVB要素として分類されます。このような原子には4つの価電子があります。それらが4つの価電子をあきらめることができれば、安定性を達成できます。また、4つの電子を受け入れることでも実現できます。

原子の安定性

原子の安定性の概念は、半導体材料の状態における重要な要素です。価電子帯の電子の最大数は8です。価電子帯にちょうど8個の電子がある場合、原子は安定していると言えます。 *安定した原子*では、価電子の結合は非常に硬直しています。これらのタイプの原子は、優れた絶縁体です。そのような原子では、自由電子は導電性に利用できません。

安定化された元素の例は、アルゴン、キセノン、ネオン、クリプトンなどのガスです。それらの特性により、これらのガスは他の材料と混合することができず、一般に*不活性ガス*として知られています。

外殻の価電子の数が8未満の場合、原子は不安定であると言われます。つまり、8未満の価電子を持つ原子は不安定です。彼らは常に、隣接する原子から電子を借りたり、寄付したりして、安定するようにします。 5、6、または7の価電子を持つ外殻の原子は、安定性を求めるために他の原子から電子を借りる傾向がありますが、1、2、または3の価電子を持つ原子は、これらの電子を近くの原子に放出する傾向があります。

原子の組み合わせ

重量があるものはすべて問題です。原子の理論によると、すべての物質は、それが固体、液体、気体のいずれであっても、原子で構成されています。原子には、中性子と陽子を保持する核と呼ばれる中心部が含まれています。通常、陽子は正に帯電した粒子であり、中性子は中性に帯電した粒子です。負に帯電した粒子である電子は、太陽の周りの惑星の配列に似た方法で核の周りの軌道に配置されます。次の図は、原子の構成を示しています。

Atom

さまざまな元素の原子は、さまざまな数の陽子、中性子、電子を持っていることがわかります。ある原子を別の原子と区別したり、さまざまな原子を分類したりするために、特定の原子の核内の陽子の数を示す番号が、識別された各要素の原子に割り当てられます。この番号は、要素の「原子番号」として知られています。半導体の研究に関連するいくつかの元素の原子番号を次の表に示します。

Element	Symbol	Atomic Number
Silicon	Si	14
Germanium	Ge	32
Arsenic	As	33
Antimony	Sb	51
Indium	In	49
Gallium	Ga	31
Boron	B	5

通常、原子は、正味の電荷をゼロに維持するために、同数の陽子と惑星電子を持っています。原子は頻繁に結合して、利用可能な価電子を通じて安定化された分子または化合物を形成します。

自由原子価電子を結合するプロセスは、一般に*結合*と呼ばれます。以下は、原子の組み合わせで行われるさまざまな種類の結合です。

イオン結合
共有結合
メタリックボンディング

これらの原子結合について詳しく説明しましょう。

イオン結合

原子が結合して分子を形成するとき、各原子は安定性を求めています。価電子帯に8個の電子が含まれる場合、*安定化状態*と呼ばれます。ある原子の価電子が別の原子の価電子と結合して安定するとき、それは*イオン結合*と呼ばれます。

原子の外殻に4つ以上の価電子がある場合、追加の電子を探しています。そのようなアトムは、多くの場合 acceptor と呼ばれます。
原子が外殻に4つ未満の価電子を保持している場合、原子はこれらの電子から移動しようとします。これらの原子は「ドナー」として知られています。

イオン結合では、ドナー原子とアクセプター原子が頻繁に結合し、結合が安定します。一般的な塩は、イオン結合の一般的な例です。

次の図は、独立した原子とイオン結合の例を示しています。

イオン結合

取得した電子

上の図では、ナトリウム（Na）原子がその1価電子を7価電子を持つ塩化物（Cl）原子に与えていることがわかります。塩化物原子は、余分な電子を取得するとすぐに負にオーバーバランスし、これにより原子が負イオンになります。一方、ナトリウム原子はその価電子を失い、ナトリウム原子は陽イオンになります。私たちが知っているように、電荷が引き寄せるのとは異なり、ナトリウムと塩化物の原子は静電気力によって結合されます。

共有結合

隣接する原子の価電子が他の原子と共有されると、共有結合が起こります。共有結合では、イオンは形成されません。これは、共有結合とイオン結合のユニークな相違点です。

原子の外殻に4つの価電子が含まれている場合、1つの電子を4つの隣接する原子と共有できます。共有力は、2つのリンク電子間に確立されます。これらの電子は、原子間の軌道を交互にシフトします。この共有結合力は、個々の原子を結合します。共有結合の図を次の図に示します。

共有結合

この配置では、各原子の原子核と原子価電子のみが表示されています。個々の原子が結合しているため、電子対が作成されます。この場合、結合動作を完了するには5つの原子が必要です。結合プロセスはあらゆる方向に広がります。各原子は格子ネットワークで互いにリンクされ、この格子ネットワークによって結晶構造が形成されます。

メタリックボンディング

3番目のタイプの結合は一般に、良好な電気導体で発生し、金属結合と呼ばれます。金属結合では、陽イオンと電子の間に静電力が存在します。たとえば、銅の価電子帯の外殻には1つの電子があります。この電子は、異なる原子間で材料の周りを移動する傾向があります。

この電子が1つの原子を離れると、すぐに別の原子の軌道に入ります。プロセスはノンストップで繰り返されます。電子が原子を離れると、原子は陽イオンになります。これは*ランダムプロセス*です。これは、1つの電子が常に原子とリンクしていることを意味します。電子が特定の1つの軌道に関連付けられているという意味ではありません。常に異なる軌道をローミングしています。結果として、すべての原子はすべての価電子を共有する可能性があります。

金属接合

電子は、陽イオンを覆う雲の中を動き回ります。このホバリング雲は、電子をランダムにイオンに結合します。次の図は、銅の金属結合の例を示しています。

固体材料の伝導

原子の外側の環にある電子の数が、導体と絶縁体の違いの理由です。私たちが知っているように、固体材料は主に電子デバイスで電子伝導を達成するために使用されます。これらの材料は、導体、半導体、絶縁体に分けることができます。

ただし、導体、半導体、および絶縁体は、エネルギー準位図によって区別されます。ここでは、電子がその価電子帯を離れて伝導状態になるまでに必要なエネルギー量を説明します。この図は、材料内のすべての原子の複合体です。絶縁体、半導体、および導体のエネルギーレベル図を次の図に示します。

エネルギーレベル

原子価バンド

下部は*価電子帯*です。それは原子の核に最も近いエネルギー準位を表し、価電子帯のエネルギー準位は核の正電荷のバランスをとるために必要な正しい数の電子を保持します。したがって、このバンドは「塗りつぶしバンド」と呼ばれます。

価電子帯では、電子は核に強く結合しています。エネルギーレベルが上に移動すると、電子は原子核に向かって後続の各レベルでより軽くバインドされます。電子の運動にはより大きなエネルギーが必要であり、各電子軌道には異なるエネルギーレベルがあるため、核に近いエネルギーレベルで電子を乱すことは容易ではありません。

伝導帯

図の一番上または最も外側のバンドは、*伝導バンド*と呼ばれます。電子がこのバンド内にあり、結晶内を比較的自由に動き回るエネルギーレベルを持っている場合、電流を伝導します。

半導体エレクトロニクスでは、主に価電子帯と伝導帯に関心があります。以下は、それに関するいくつかの基本的な情報です-

各原子の価電子帯は、外殻の価電子のエネルギーレベルを示しています。
それらを伝導帯に入れるためには、価電子に一定量のエネルギーを追加する必要があります。

禁断のギャップ

価電子帯と伝導帯は、禁止されたギャップと呼ばれるギャップによって分離されます。禁断のギャップを越えるには、一定量のエネルギーが必要です。不十分な場合、電子は伝導のために放出されません。電子は、禁止されたギャップを通過するために追加のエネルギーを受け取るまで、価電子帯に留まります。

特定の材料の伝導状態は、禁止ギャップの幅によって示されます。原子理論では、ギャップの幅は電子ボルト（eV）で表されます。電子ボルトは、電子に1 Vの電位差が加わったときに得られる、または失われるエネルギー量として定義されます。各元素の原子には、伝導を可能にする異なるエネルギーレベル値があります。

絶縁体の*禁止領域*は比較的広いことに注意してください。絶縁体を伝導させるには、非常に多くのエネルギーが必要です。たとえば、Thyrite。

絶縁体が高温で動作する場合、熱エネルギーの増加により、価電子帯の電子が伝導帯に移動します。

エネルギーバンド図から明らかなように、半導体の禁制帯は絶縁体の禁制帯よりもはるかに小さくなっています。たとえば、シリコンは伝導帯に入るために0.7 eVのエネルギーを得る必要があります。室温では、熱エネルギーを追加するだけで半導体に伝導が生じる場合があります。この特定の特性は、固体電子デバイスで非常に重要です。

導体の場合、伝導帯と価電子帯は互いに部分的に重なります。ある意味では、禁じられたギャップはありません。したがって、価電子帯の電子は放出されて自由電子になります。通常、通常の室温では、導体内で電気伝導はほとんど発生しません。

導電性とモビリティ

前に説明したように、原子ごとに1つ以上の自由電子が存在し、印加電界の影響下で金属の内部をずっと移動します。

次の図は、金属内の電荷分布を示しています。 *金属の電子ガス記述*として知られています。

バレンスフリーエレクトロン

ハッシュ領域*は、正電荷を持つ核を表します。青い点は、原子の外殻の価電子を表します。基本的に、これらの電子は特定の原子に属しておらず、その結果、個々のアイデンティティを失い、原子間を自由に移動しています。

電子が途切れない運動をしている場合、輸送の方向は重イオンとの衝突のたびに変わります。これは、金属の電子ガス理論に基づいています。衝突間の平均距離は、*平均自由行程*と呼ばれます。一定の時間内に金属の単位領域を反対方向にランダムに通過する電子は、平均電流をゼロにします。

半導体の種類

半導体デバイスに電圧が印加されると、電子電流はソースのプラス側に流れ、ホール電流はソースのマイナス側に流れます。このような状況は、半導体材料でのみ発生します。

シリコンとゲルマニウムは最も一般的な半導体材料です。一般に、半導体の導電率は、金属と絶縁体の導電率の間にあります。

半導体としてのゲルマニウム

以下は、*ゲルマニウム*に関するいくつかの重要なポイントです-

ゲルマニウムの最も外側の軌道には4つの電子があります。結合では、原子は外側の電子のみで表示されます。
ゲルマニウム原子は、共有結合で価電子を共有します。これを次の図に示します。ゲルマニウムは、共有結合に関連するものです。ゲルマニウムの結晶形は、結晶格子と呼ばれます。このタイプの構造には、次の図に示すように原子が配置されています。
このような配置では、電子は非常に安定した状態にあるため、導体との関連付けにはあまり適していません。純粋な形では、ゲルマニウムは絶縁材料であり、*真性半導体*と呼ばれます。

次の図は、シリコンとゲルマニウムの原子構造を示しています。

原子構造

半導体としてのシリコン

半導体デバイスは、さまざまな電子部品の製造にもシリコンを使用しています。シリコンとゲルマニウムの原子構造を上図に示します。シリコンの結晶格子構造は、ゲルマニウムの結晶格子構造に似ています。

以下は、シリコンに関する重要なポイントの一部です-

ゲルマニウムのような最外殻に4つの電子があります。
純粋な形では、半導体デバイスとしては役に立ちません。
不純物を追加することにより、所望の導電率を得ることができます。
不純物の追加は、管理された環境で慎重に行う必要があります。
追加された不純物の種類に応じて、電子の過剰または不足が発生します。

次の図は、シリコンの固有結晶を示しています。

固有の結晶

半導体のドーピング

半導体として純粋なシリコンまたはゲルマニウムはめったに使用されません。実際に使用可能な半導体には、制御された量の不純物が添加されている必要があります。不純物の添加は導体の能力を変化させ、半導体として機能します。真性または純粋な材料に不純物を追加するプロセスは「ドーピング」と呼ばれ、不純物は「ドーパント」と呼ばれます。ドーピング後、真性材料は外因性材料になります。実際には、これらの材料をドーピングした後にのみ使用可能になります。

結晶構造を変更せずにシリコンまたはゲルマニウムに不純物を追加すると、N型材料が生成されます。一部の原子では、ヒ素（As）やアンチモン（Sb）などの電子の価電子帯に5つの電子があります。いずれかの不純物をシリコンにドーピングしても、結晶構造または結合プロセスが変化してはなりません。不純物原子の余分な電子は、共有結合には関与しません。これらの電子は、元の原子によって緩やかに結合されています。次の図は、不純物原子を追加したシリコン結晶の変化を示しています。

Impurity Atom

N型材料へのドーピングの影響

N型材料へのドーピングの効果は次のとおりです-

純粋なシリコンにヒ素を加えると、結晶はN型材料になります。
ヒ素原子には、共有結合の過程に関与しない追加の電子または負電荷があります。
これらの不純物は、結晶に1電子をあきらめるか寄付し、ドナー不純物と呼ばれます。
N型材料には、固有の材料よりも余分な電子または自由電子があります。
N型材料は負に帯電していません。実際、その原子はすべて電気的に中性です。
これらの余分な電子は、共有結合プロセスには関与しません。結晶構造内を自由に動き回ることができます。
N型の外因性シリコン結晶は、わずか0.005eVのエネルギーが印加されると伝導します。
真性結晶の電子を価電子帯から伝導帯に移動させるのに必要なのは0.7eVだけです。

通常、このタイプの結晶では電子が過半数の電流キャリアと見なされ、正孔は少数の電流キャリアです。シリコンに追加されたドナー材料の量により、その構造内の多数キャリアの数がわかります。

N型シリコンの電子数は、真性シリコンの電子と正孔のペアの数倍です。室温では、この材料の電気伝導率に大きな違いがあります。電流の流れに参加するための豊富な電流キャリアがあります。電流の流れは、主にこのタイプの材料の電子によって達成されます。したがって、外因性材料は優れた導電体になります。

P型材料へのドーピングの影響

P型材料へのドーピングの影響は次のとおりです-

インジウム（In）またはガリウム（Ga）が純シリコンに追加されると、P型材料が形成されます。
このタイプのドーパント材料には、3つの価電子があります。彼らは熱心に四番目の電子を探しています。
Pタイプの材料では、各穴を電子で満たすことができます。このホール領域を埋めるために、隣接する共有結合グループの電子が必要とするエネルギーは非常に少なくなります。
シリコンには通常、1〜106の範囲のドーピング材料がドープされています。これは、P材料が純粋なシリコンの電子正孔対よりもはるかに多くの正孔を持つことを意味します。
室温では、この材料の導電率に非常に明確な特性の違いがあります。

次の図は、アクセプター元素（この場合はインジウム）をドープすると、シリコンの結晶構造がどのように変化するかを示しています。 P材料の一部は正に帯電していません。その原子は主にすべて電気的に中性です。

ただし、多くの原子グループの共有構造には穴があります。電子が移動して穴を埋めると、穴は空になります。電子が残った結合グループに新しいホールが作成されます。ホールの動きは、実際には電子の動きの結果です。 P型材料は、わずか0.05 eVのエネルギーが印加されると伝導します。

Pタイプクリスタル

上の図は、電圧源に接続したときにP型水晶がどのように応答するかを示しています。電子よりも正孔の数が多いことに注意してください。電圧が印加されると、電子はバッテリーのプラス端子に引き付けられます。

穴はある意味で、バッテリーのマイナス端子に向かって移動します。この時点で電子が拾われます。電子はすぐに穴を埋めます。穴は空になります。同時に、電池の正極端子によって材料から電子が引き出されます。したがって、異なる結合グループ間で電子が移動するため、正孔はマイナス端子に向かって移動します。エネルギーが適用されると、ホールの流れは連続します。

半導体デバイス-接合ダイオード

PおよびN材料で作られた結晶構造は、一般に*接合ダイオード*として知られています。通常、2端子デバイスと見なされます。次の図に示すように、1つの端子はPタイプ材料に接続され、もう1つの端子はNタイプ材料に接続されています。

これらの材料が接続される共通の結合点は、*接合部*と呼ばれます。接合ダイオードにより、電流キャリアが一方向に流れ、逆方向の電流の流れが妨げられます。

次の図は、接合ダイオードの結晶構造を示しています。接合部に対するPタイプとNタイプの材料の位置を見てください。結晶の構造は、一端から他端まで連続しています。ジャンクションは、一方の材料の終わりと他方の材料の始まりを表す分離点としてのみ機能します。このような構造により、電子は構造全体を完全に移動できます。

ジャンクション

次の図は、P-N接合に成形される前の半導体物質の2つの部分を示しています。指定されているように、材料の各部分には、*多数*および*少数キャリア*があります。

結晶構造

各材料に示されているキャリアシンボルの量は、少数または多数の機能を示しています。私たちが知っているように、電子はN型材料の多数キャリアであり、正孔は少数キャリアです。 Pタイプの材料では、正孔が多数キャリアであり、電子が少数キャリアです。

半導体デバイス-空乏層

最初に、接合ダイオードが形成されると、電流キャリア間に独自の相互作用があります。 N型材料では、電子は接合部を容易に移動してP材料の穴を埋めます。この行為は一般に*拡散*と呼ばれます。拡散は、一方の材料にキャリアが多く蓄積し、他方の材料に集まることが少ない結果です。

一般に、接合部に近い電流キャリアは拡散プロセスにのみ関与します。 N材料から放出される電子により、正イオンがその場所で生成されます。 P材料に入って穴を埋めている間、これらの電子によって負イオンが生成されます。その結果、接合部の各側には、多数の正イオンと負イオンが含まれます。

空乏地域

これらの正孔と電子が空乏化する領域は、一般に空乏領域という用語で知られています。これは、過半数の現在のキャリアが不足しているエリアです。通常、P-N接合が形成されると、空乏領域が発生します。次の図は、接合ダイオードの空乏領域を示しています。

半導体デバイス-障壁ポテンシャル

N型およびP型の材料は、共通の接合部で結合される前に電気的に中性であると見なされます。しかし、接合の拡散が瞬時に行われた後、電子が接合部を横切って正孔を満たし、P材料に負イオンが出現するため、この作用により接合部の近くの領域が負電荷を帯びます。 N材料から放出される電子により、N材料が正イオンを生成します。

このすべてのプロセスにより、ジャンクションのN側が正味の正電荷を帯びるようになります。この特定の電荷生成は、残りの電子と正孔を接合部から遠ざける傾向があります。この動作により、他の電荷キャリアが接合部全体に拡散するのが多少難しくなります。その結果、電荷が蓄積されるか、接合部に障壁電位が現れます。

次の図に示すように。結果として生じる障壁電位には、P-N接合部に接続された小さなバッテリーがあります。所定の図で、PおよびN材料に関するこの電位障壁の極性を観察してください。水晶が外部エネルギー源に接続されていない場合、この電圧または電位が存在します。

バリア

ゲルマニウムの障壁電位は約0.3 V、シリコンの障壁電位は0.7 Vです。これらの値は直接測定することはできず、接合部の空間電荷領域全体に現れます。電流伝導を生成するには、P-N接合の障壁電位を外部電圧源で克服する必要があります。

半導体デバイス-接合バイアス

バイアスという用語は、特定の動作条件を設定するためのDC電圧の印加を指します。または、外部エネルギー源がP-N接合部に印加される場合、バイアス電圧または単にバイアスと呼ばれます。この方法は、接合部の障壁電位を増加または減少させます。その結果、障壁電位の低下により、電流キャリアが空乏領域に戻ります。次の2つのバイアス条件がw.r.tに適用されます。 PNジャンクション。

Forward Biasing -バリア電位に同じ極性の外部電圧が追加され、空乏領域の幅が増加します。
逆バイアス-外部電圧作用の適用により電流キャリアが空乏領域に入るのを防ぐように、PN接合がバイアスされます。

順方向バイアス

次の図は、外部電圧が印加された順方向バイアスPN接合ダイオードを示しています。バッテリーの正極がP材料に接続され、バッテリーの負極がN材料に接続されていることがわかります。

前方バイアス

以下は観察です-

このバイアス電圧は、各PおよびNタイプ材料の多数キャリアを撃退します。その結果、接合部に多数の正孔と電子が現れ始めます。
ジャンクションのN側では、電子が移動して空乏領域の正イオンを中和します。
P側の材料では、電子がマイナスイオンから引き出され、再び中性になります。これは、順方向バイアスが空乏領域を崩壊させ、したがって障壁ポテンシャルも崩壊させることを意味します。これは、P-N接合が順方向にバイアスされている場合、連続電流が流れることを意味します。

次の図は、順方向にバイアスされたダイオードの電流キャリアの流れを示しています。ダイオードに接続された外部電圧源により、一定の電子供給が可能です。電流の流れと方向は、図のダイオードの外側にある大きな矢印で示されています。電子の流れと電流の流れは同じものを指していることに注意してください。

現在の流れ

以下は観察です-

電子がワイヤを介して負のバッテリ端子からN材料に流れるとします。この材料に入ると、すぐに接合部に流れます。
同様に、反対側では、同数の電子がP側から引き出され、正のバッテリー端子に戻ります。このアクションにより、新しいホールが作成され、ジャンクションに向かって移動します。
これらの正孔と電子が接合部に到達すると、それらは結合して効果的に消滅します。その結果、新しい正孔と電子がダイオードの外端に現れます。これらの多数キャリアは継続的に作成されます。この動作は、外部電圧源が印加されている限り続きます。
ダイオードが順方向にバイアスされると、電子がダイオードの構造全体を流れることがわかります。これはNタイプの材料では一般的ですが、P材料では正孔が移動する電流キャリアです。ある方向へのホールの動きは、反対方向への電子の動きから始めなければならないことに注意してください。したがって、電流の合計はホールの追加であり、電子はダイオードを流れます。

逆バイアス

次の図は、外部電圧が印加された逆バイアスPN接合ダイオードを示しています。バッテリーの正端子がN材料に接続され、バッテリーの負端子がP材料に接続されていることがわかります。このような配置では、バッテリーの極性はダイオードの材料の極性と反対になり、異なる電荷が引き付けられることに注意してください。したがって、各材料の大部分の電荷キャリアは、接合部から引き離されます。逆バイアスにより、ダイオードが非導通になります。

逆バイアス

次の図は、逆バイアスされたダイオードの多数電流キャリアの配置を示しています。

逆バイアスPN

以下は観察です-

回路の作用により、N物質の電子がバッテリーのプラス端子に引き寄せられます。
ダイオードを移動または出発する各電子は、その場所に正イオンを発生させます。その結果、これにより、接合のN側の空乏領域の幅が同等に増加します。
ダイオードのP側にもN側と同様の効果があります。このアクションでは、多くの電子がバッテリーのマイナス端子から出て、P型材料に入ります。
これらの電子はすぐに移動し、いくつかの穴を埋めます。占有された各ホールはマイナスイオンになります。次に、これらのイオンはバッテリーのマイナス端子によって反発され、接合部に向かって駆動されます。このため、接合のP側の空乏領域の幅が増加します。

空乏領域の全体の幅は、逆バイアスされたダイオードの外部電圧源に直接依存します。この場合、ダイオードは広い空乏領域を流れる電流を効率的にサポートできません。その結果、潜在的な電荷は接合部で発生し始め、障壁電位が外部バイアス電圧に等しくなるまで増加します。この後、ダイオードは不導体として動作します。

半導体デバイス-漏れ電流

PN接合ダイオードの重要な導通制限は*漏れ電流*です。ダイオードに逆バイアスがかかると、空乏領域の幅が広がります。一般に、この条件は、接合部付近の電流キャリアの蓄積を制限するために必要です。大部分の電流キャリアは主に空乏領域で打ち消されるため、空乏領域は絶縁体として機能します。通常、電流キャリアは絶縁体を通過しません。

逆バイアスされたダイオードでは、空乏領域に電流が流れることがわかります。この電流は漏れ電流と呼ばれます。漏れ電流は、少数の電流キャリアに依存しています。私たちが知っているように、少数キャリアはP型材料の電子とN型材料の正孔です。

次の図は、ダイオードに逆バイアスがかかった場合の電流キャリアの反応を示しています。

フォーメーションリーク電流

以下は観察です-

各材料の少数キャリアは、空乏層を通って接合部に押し出されます。この動作により、非常に小さな漏れ電流が発生します。一般に、漏れ電流は非常に小さいため、無視できると見なすことができます。
ここで、漏れ電流の場合、温度が重要な役割を果たします。少数キャリアのほとんどは温度に依存します。
25°C（78°F）の室温では、逆バイアスダイオードに存在する少数キャリアの量は無視できます。
周囲の温度が上昇すると、少数キャリアの生成が大幅に増加し、その結果、それに応じて漏れ電流が増加します。

すべての逆バイアスダイオードでは、リーク電流の発生はある程度正常です。ゲルマニウムとシリコンのダイオードでは、漏れ電流はそれぞれわずか数マイクロアンペア*と*ナノアンペア*に過ぎません。ゲルマニウムは、シリコンよりも温度の影響を受けやすいです。このため、最新の半導体デバイスでは主にシリコンが使用されています。

ダイオード特性

順方向および逆方向のバイアス操作には、さまざまな現在のスケールがあります。曲線の前方部分は、P領域が正になり、N領域が負になると、ダイオードが単に導通することを示しています。

ダイオードは、高抵抗方向に電流をほとんど流しません。 Pregionが負にされ、N-regionが正にされるとき。これで、正孔と電子が接合部から排出され、障壁電位が上昇します。この状態は、曲線の逆電流部分によって示されます。

曲線の点線の部分は、*理想的な曲線*を示しています。これは、雪崩破壊ではない場合に生じます。次の図は、接合ダイオードの静特性を示しています。

静的特性

ダイオードIVの特性

ダイオードの順方向および逆方向電流電圧（IV）特性は、一般に単一の特性曲線で比較されます。「順方向特性」セクションの下に示されている図は、通常、順電圧と逆電圧がグラフの水平線上にプロットされることを示しています。

順電流値と逆電流値がグラフの縦軸に表示されます。順方向電圧は右に、逆方向電圧は左に表示されます。開始点またはゼロ値はグラフの中心にあります。順電流は水平軸より上に伸び、逆電流は下に伸びます。

結合された順方向電圧と順方向電流の値はグラフの右上部分にあり、逆方向電圧と逆方向電流は左下隅にあります。通常、順方向と逆方向の値を表示するには、異なるスケールが使用されます。

フォワード特性

ダイオードが順方向にバイアスされると、電流（IF）が順方向に流れます。 IFの値は、順方向電圧の量に直接依存します。順方向電圧と順方向電流の関係は、アンペアボルト、またはダイオードのIV特性と呼ばれます。次の図に、典型的なダイオード順方向IV特性を示します。

転送特性

以下は観察です-

順方向電圧はダイオード全体で測定され、順方向電流はダイオードを流れる電流の測定値です。
ダイオードの順方向電圧が0Vの場合、順電流（IF）は0mAになります。
値がグラフの開始点（0）から始まる場合、VFが0.1 Vステップで徐々に増加すると、IFは上昇し始めます。
VFの値がP-N接合の障壁ポテンシャルを克服するのに十分な大きさである場合、IFの大幅な増加が発生します。これが発生するポイントは、しばしばニー電圧* V〜K〜と呼ばれます。ゲルマニウムダイオードの場合、 V〜K〜*は約0.3 V、シリコンの場合は0.7 Vです。
IFの値が* V〜K〜*をはるかに超えると、順方向電流が非常に大きくなります。

この動作により、接合部で過剰な熱が発生し、ダイオードが破壊される可能性があります。この状況を回避するため、保護抵抗がダイオードと直列に接続されています。この抵抗は、順方向電流を最大定格値に制限します。通常、ダイオードが順方向に動作する場合、電流制限抵抗が使用されます。

逆特性

ダイオードに逆バイアスがかかると、通常非常に小さい逆電流が流れます。一般的なダイオードの逆IV特性を上の図に示します。

このグラフの垂直逆電流線には、マイクロアンペアで表される電流値があります。逆電流の伝導に関与する少数電流キャリアの量は非常に少ないです。一般的に、これは逆電圧の大部分にわたって逆電流が一定のままであることを意味します。ダイオードの逆電圧が最初から増加すると、逆電流に非常にわずかな変化があります。ブレークダウン電圧（VBR）ポイントでは、電流は非常に急速に増加します。このとき、ダイオード両端の電圧は適度に一定のままです。

この定電圧特性は、逆バイアス条件下でのダイオードの多くのアプリケーションにつながります。逆バイアスされたダイオードの電流伝導に関与するプロセスは、*アバランシェ降伏*および*ツェナー降伏*と呼ばれます。

ダイオード仕様

他の選択と同様に、特定のアプリケーション用のダイオードの選択を検討する必要があります。通常、製造業者はこのタイプの情報を提供します。最大電圧および電流定格、通常の動作条件、機械的事実、リード識別、取り付け手順などの仕様

以下は重要な仕様の一部です-

最大順方向電流（IFM）-ダイオードを通過できる絶対最大繰り返し順方向電流。
最大逆電圧（VRM）-ダイオードに印加できる絶対最大またはピーク逆バイアス電圧。
逆ブレークダウン電圧（VBR）-ブレークダウンが発生する最小定常逆電圧。
最大順方向サージ電流（IFMサージ）-短時間の間に許容できる最大電流。この電流値はIFMよりもはるかに大きくなります。
最大逆電流（IR）-デバイスの動作温度で許容できる絶対最大逆電流。
順方向電圧（VF）-デバイスの動作温度での所定の順方向電流に対する最大順方向電圧降下。
消費電力（PD）-25°Cの自由空気中でデバイスが安全に継続的に吸収できる最大電力。
逆回復時間（Trr）-デバイスがオンからオフの状態に切り替わるまでにかかる最大時間。

重要な用語

ブレークダウン電圧-逆電流の急激な上昇でPN接合が破壊される最小の逆バイアス電圧です。
ニー電圧-ジャンクションを流れる電流が急激に増加し始める順方向電圧です。
ピーク逆電圧-PN接合に損傷を与えることなく印加できる最大逆電圧です。
最大順方向定格-PN接合が損傷することなく通過できる最大瞬間順電流です。
最大電力定格-ジャンクションに損傷を与えることなく、ジャンクションから消費できる最大電力です。

発光ダイオード

発光ダイオードは、日々の活動に直接または間接的に影響を与えています。メッセージディスプレイからLED TVまで、これらのLEDが存在するすべての場所。基本的には、順方向電流が流れると光を放つP-N接合ダイオードです。次の図は、LEDの論理記号を示しています。

LEDシンボル

PN接合ダイオードはどのように発光しますか？

LEDは、シリコンやゲルマニウム、ヒ化ガリウム（GaAs）やリン化ガリウム（GaP）などの要素から作られていません。これらの材料は、光を放出するため、意図的に使用されます。したがって、LEDが順方向にバイアスされると、通常の電子はジャンクションを通過して、ホールと結合します。

この作用により、N型領域の電子が伝導から外れ、価電子帯に戻ります。そうすることで、各自由電子が持つエネルギーが解放されます。放出されたエネルギーの一部は熱として発生し、残りは可視光エネルギーとして与えられます。

LEDがシリコンとゲルマニウムで作られている場合、電子の再結合中、すべてのエネルギーは熱の形でのみ消費されます。一方、ヒ化ガリウム（GaAs）やリン化ガリウム（GaP）などの材料は、可視光を生成するのに十分な光子を持っています。

LEDがヒ化ガリウムから作られている場合、それらは赤色光を生成します。
LEDがリン化ガリウムで作られている場合、そのようなLEDは緑色の光を発します。

次に、1つのLEDのアノードが別のLEDのカソードに、またはその逆に接続されるように、外部電圧供給源を介して背中合わせに接続された2つのLEDを考えます。この回路に外部電圧が印加されると、1つのLEDが一度に動作し、この回路の動作により、1つのLEDが順方向にバイアスされ、もう1つのLEDが逆方向にバイアスされると、異なる光を発します。

LEDの利点

LEDには次の利点があります-

かなり小さいサイズ。
非常に高速なスイッチング。
非常に低い電圧で動作できます。
非常に長い寿命。
建設手順により、さまざまな形状やパターンでの製造が可能になります。

LEDの用途

LEDは主に0〜9の数字を示す数値ディスプレイで使用されます。また、デジタルメーター、時計、電卓などの* 7セグメントディスプレイ*でも使用されます。

半導体デバイス-ツェナーダイオード

これは特定のタイプの半導体ダイオードであり、逆ブレークダウン領域で動作するように作られています。次の図は、ツェナーダイオードの結晶構造と記号を示しています。これは、従来のダイオードとほぼ同じです。ただし、通常のダイオードのシンボルと区別するために小さな変更が行われます。折れ線は、ツェナーの文字「Z」を示します。

ツェナーダイオード記号

ツェナーダイオードと通常のPN接合ダイオードの最も重要な違いは、回路で使用されるモードです。これらのダイオードは通常、逆バイアス方向でのみ動作します。これは、アノードを電圧源のマイナス側に、カソードをプラス側に接続する必要があることを意味します。

通常のダイオードをツェナーダイオードと同じ方法で使用すると、過電流により破壊されます。この特性により、ツェナーダイオードの重要性は低くなります。

次の図は、ツェナーダイオードを備えたレギュレータを示しています。

レギュレータ

ツェナーダイオードは、安定化されていないDC電源に逆バイアス方向で接続されています。逆方向降伏電圧が低下するように、高濃度にドープされています。これにより、空乏層が非常に薄くなります。このため、ツェナーダイオードの逆方向降伏電圧は鋭く* V〜z〜*です。

回路の動作に従って、次の図に示すように、電流が急激に増加するとブレークダウンが急激に発生します。

逆特性

電圧* V〜z〜*は、電流が増加しても一定のままです。この特性により、ツェナーダイオードは電圧調整に広く使用されています。ツェナーを流れる電流の変化に関係なく、ほぼ一定の出力電圧を提供します。したがって、負荷電圧は一定値のままです。

ニー電圧として知られる特定の逆電圧では、定電圧で電流が急激に増加することがわかります。この特性により、ツェナーダイオードは電圧安定化に広く使用されています。

半導体デバイス-フォトダイオード

フォトダイオードは、光にさらされると電流を流すP-N接合ダイオードです。このダイオードは、実際には逆バイアスモードで動作するように設計されています。これは、落下光の強度が大きいほど、逆バイアス電流が大きくなることを意味します。

次の図は、フォトダイオードの回路図記号と構造の詳細を示しています。

フォトダイオード構造

フォトダイオードの働き

これは、*逆バイアスダイオード*です。入射光の強度が増加すると、逆電流が増加します。これは、逆電流が落下光の強度に正比例することを意味します。

P型基板にマウントされ、金属ケースに密封されたPN接合で構成されています。接合点は透明なレンズでできており、光が落ちるはずの窓です。

知っているように、PN接合ダイオードに逆バイアスがかかると、非常に少量の逆電流が流れます。逆電流は、ダイオードの空乏領域にある電子と正孔のペアによって熱的に生成されます。

PNジャンクションに光が当たると、ジャンクションによって吸収されます。これにより、より多くの電子正孔対が生成されます。または、特徴的に、逆電流の量が増加すると言うことができます。

つまり、落射光の強度が増加すると、PN接合ダイオードの抵抗が減少します。

この動作により、ダイオードの導電性が高まります。
これらのダイオードの応答時間は非常に高速です
これらは高度なコンピューティングデバイスで使用されます。
また、アラーム回路、カウンタ回路などにも使用されます。

半導体デバイス-太陽電池

基本的な太陽電池は、p-n接合を形成するn型とp型の半導体で構成されています。上部は広く、透明で、一般的に太陽にさらされています。これらのダイオードまたはセルは非常に優れており、光にさらされると電圧を生成します。細胞は光エネルギーを直接電気エネルギーに変換します。

次の図は、*太陽電池の記号*を示しています。

太陽光発電シンボル

太陽電池の働き

太陽電池の構造は、PN接合ダイオードの構造に似ています。光が当てられていない場合、デバイスには電流が流れません。この状態では、セルは電流を生成できません。

作業中の太陽光発電

かなりの量の光を必要とするセルに適切にバイアスをかけることが不可欠です。光が照射されるとすぐに、PN接合ダイオードの顕著な状態が観察されます。その結果、電子は十分なエネルギーを獲得し、親原子から離脱します。空乏領域でこれらの新たに生成された電子正孔対が接合部を横切る。

この動作では、電子は通常の正イオン濃度のためにN型材料に移動します。同様に、マイナスの含有量があるため、ホールはPタイプ材料に広がります。これにより、Nタイプの材料は即座に負の電荷を帯び、Pの材料は正の電荷を帯びます。 P-Nジャンクションは、応答として小さな電圧を供給します。

太陽電池の特性

左の次の図は、特性の1つであり、フォトダイオードの逆電流（I〜R〜）と照明（E）の間のグラフを示しています。 IRは垂直軸で測定され、照明は水平軸で測定されます。グラフはゼロ位置を通る直線です。

すなわち、I〜R〜= mE

m =グラフ直線勾配

パラメーター m は、ダイオードの感度です。

感度

右の図は、フォトダイオードの別の特性、フォトダイオードの逆電流（I〜R〜）と逆電圧間のグラフを示しています。グラフから、与えられた逆電圧に対して、PN接合部の照度が増加するにつれて逆電流が増加することが明らかです。

これらのセルは一般に、光が当てられると負荷デバイスに電力を供給します。より大きな電圧が必要な場合は、これらのセルの配列を使用して同じ電圧を供給します。このため、光電池は、高レベルの光エネルギーが利用可能なアプリケーションで使用されます。

半導体デバイス-バラクターダイオード

これは、P-N材料の不純物濃度が一貫していない特殊なP-N接合ダイオードです。通常のPN接合ダイオードでは、ドーピング不純物は通常、材料全体に均等に分散されます。接合部の近くに非常に少量の不純物がドープされたバラクタダイオードは、接合部から離れるにつれて不純物濃度が増加します。

従来の接合ダイオードでは、空乏領域はP材料とN材料を分離する領域です。空乏領域は、接合部が最初に形成される最初に発達します。この領域には電流キャリアが存在しないため、空乏領域は誘電体または絶縁体として機能します。

多数キャリアとしての正孔を持つP型材料と、多数キャリアとしての電子を持つN型材料は、帯電プレートとして機能します。したがって、ダイオードは、N型とP型の反対の帯電プレートを持つコンデンサと見なすことができ、空乏領域は誘電体として機能します。私たちが知っているように、半導体であるPおよびN材料は、空乏領域絶縁体によって分離されています。

逆バイアス下での静電容量効果に応答するように設計されたダイオードは、バラクタ、バリキャップダイオード、または*電圧可変コンデンサ*と呼ばれます。

次の図は、バラクタダイオードのシンボルを示しています。

バラクターシンボル

通常、バラクタダイオードは逆バイアス状態で動作します。逆バイアスが増加すると、空乏領域の幅も増加し、静電容量が減少します。これは、逆バイアスが減少すると、静電容量の対応する増加が見られることを意味します。したがって、ダイオード容量はバイアス電圧に反比例して変化します。通常、これは線形ではありません。ゼロと逆方向降伏電圧の間で動作します。

バラクターダイオードの容量は次のように表されます-

C_T = E \ frac \ {A} \ {W_d}

* C〜T〜* =接合部の総容量
E =半導体材料の誘電率
A =ジャンクションの断面積
* W〜d〜* =空乏層の幅

これらのダイオードは、マイクロ波アプリケーションで使用される変数です。バラクタダイオードは、ある程度の電圧調整または周波数制御が必要な共振回路でも使用されます。このダイオードは、FMラジオおよびテレビ受信機の自動周波数制御（AFC）でも使用されています。

半導体デバイス-バイポーラトランジスタ

バイポーラトランジスタは主に、背中合わせに接続された反対のタイプの半導体材料の2つの層で形成されます。シリコンまたはゲルマニウムに添加される不純物の種類によって、形成時に極性が決まります。

NPNトランジスタ

NPNトランジスタは、P型半導体材料の薄層で分離された2つのN型材料で構成されています。 NPNトランジスタの結晶構造と回路図記号を上図に示します。

NPNトランジスタ

エミッター、ベース、および*コレクター*として認識される材料の各タイプから取り出される3つのリードがあります。シンボルでは、エミッターの矢印がベースから外側に向けられている場合、デバイスがNPNタイプであることを示しています。

PNPトランジスタ

PNPトランジスタは、N型半導体材料の薄層で分離された2つのP型材料で構成されています。 PNPトランジスタの結晶構造と回路図記号を以下に示します。

PNPトランジスタ

シンボルでは、エミッタの矢印がベースに向かって内側に向けられている場合、デバイスがPNPタイプであることを示しています。

トランジスタの構築

以下は、トランジスタの構築に使用されるいくつかの製造技術です-

拡散タイプ

この方法では、半導体のウェーハにN型とP型の不純物のガス拡散を行い、エミッタとコレクタの接合部を形成します。まず、ベースとコレクタの接合部が決定され、ベース拡散の直前にフォトエッチングされます。その後、エミッタはベースに拡散します。この手法で製造されたトランジスタはノイズ指数が高く、電流ゲインの改善も見られます。

成長したタイプ

それは、溶融シリコンまたはゲルマニウムから単結晶を引き出すことによって形成されます。必要な濃度の不純物は、結晶の描画操作中に追加されます。

エピタキシャル型

シリコンまたはゲルマニウムの非常に高純度で薄い単結晶層が、同じタイプの高濃度ドープ基板上に成長します。この改良された結晶は、エミッタとベースの接合部が形成されるコレクタを形成します。

合金タイプ

この方法では、ベースセクションはN型材料の薄いスライスでできています。スライスの反対側には、2つの小さなインジウムのドットが取り付けられ、形成全体が短時間で高温に保たれます。温度は、インジウムの融解温度より高く、ゲルマニウムより低くなります。この手法は、融合構造とも呼ばれます。

電気化学エッチングタイプ

この方法では、半導体ウェハの両側に、ベース領域の幅を減らすためにくぼみがエッチングされます。次に、適切な金属をくぼみ領域に電気めっきして、エミッタとコレクタの接合部を形成します。

半導体デバイス-トランジスタバイアス

トランジスタには3つのセクションがあります-エミッタ、ベース、および*コレクタ*。

base はエミッタよりもはるかに薄く、コレクタは両方よりも比較的広くなっています。
*エミッタ*は、電流伝導のために多数の電荷キャリアを注入できるように高濃度にドープされています。
ベースは、エミッタとコレクタよりも比較的軽くドープされているため、ほとんどの電荷キャリアをコレクタに渡します。

トランジスタを適切に機能させるには、エミッタ-ベース領域に順バイアスをかけ、コレクタ-ベース領域に逆バイアスをかける必要があります。

半導体回路では、ソース電圧はバイアス電圧と呼ばれます。バイポーラトランジスタが機能するには、両方の接合にバイアスがかかっている必要があります。この状態により、回路に電流が流れます。デバイスの空乏領域が減少し、多数の電流キャリアが接合部に向かって注入されます。トランジスタの接合部の一方は、動作時に順方向にバイアスされ、もう一方は逆方向にバイアスされなければなりません。

NPNトランジスタの動作

上の図に示すように、エミッタとベースの接合部は順方向にバイアスされ、コレクタとベースの接合部は逆方向にバイアスされます。エミッタのベースジャンクションへの順方向バイアスにより、電子はN型エミッタからバイアスに向かって流れます。この条件は、エミッタ電流（I〜E〜）を定式化します。

ワーキングNPNトランジスター

P型材料を通過する間、電子は正孔と結合する傾向があり、一般に非常にわずかであり、ベース電流（I〜B〜）を構成します。残りの電子は薄い空乏領域を通過し、コレクタ領域に到達します。この電流はコレクタ電流（I〜C〜）を構成します。

つまり、エミッタ電流は実際にコレクタ回路を流れます。したがって、エミッタ電流はベース電流とコレクタ電流の合計であると考えることができます。次のように表現できます。

I〜E〜= I〜B〜+ I〜C〜

PNPトランジスタの働き

次の図に示すように、エミッタからベースへの接合は順方向にバイアスされ、コレクタからベースへの接合は逆方向にバイアスされます。エミッタからベースジャンクションへの順方向バイアスにより、P型エミッタからバイアスに向かってホールが流れます。この条件は、エミッタ電流（I〜E〜）を定式化します。

ワーキングPNPトランジスタ

N型材料を通過する間、電子は電子と結合する傾向があり、通常は非常に少なく、ベース電流（I〜B〜）を構成します。残りの穴は薄い空乏領域を横切り、コレクタ領域に達します。この電流はコレクタ電流（I〜C〜）を構成します。

つまり、エミッタ電流は実際にコレクタ回路を流れます。したがって、エミッタ電流はベース電流とコレクタ電流の合計であると考えることができます。次のように表現できます。

I〜E〜= I〜B〜+ I〜C〜

トランジスタの構成

トランジスタが回路に接続されている場合、4つの端子、またはリードまたはレッグが必要です。2つは入力と出力の両方です。トランジスタには3つの端子しかないことがわかっているので、入力と出力の両方に共通の端子を使用すると、この状況を克服できます。したがって、トランジスタは次の3つの構成で接続できます。

共通ベース構成
共通エミッター構成
共通コレクター構成

トランジスタの動作に関して注意すべき重要な点を次に示します。

トランジスタは、アクティブ、飽和、カットオフの3つの領域で動作できます。
トランジスタをアクティブ領域で使用すると、ベース-エミッタ接合に順バイアスがかかり、コレクタ-ベース接合に逆バイアスがかかります。
トランジスタを飽和領域で使用すると、ベース-エミッタ接合に順方向バイアスがかかり、コレクタ-ベース接合にも順方向バイアスがかかります。
トランジスタをカットオフ領域で使用すると、ベース-エミッタ接合とコレクタ-ベース接合の両方に逆バイアスがかかります。

トランジスタ構成の比較

次の表に、トランジスタ構成の比較を示します。

Characteristics	Common Emitter	Common Base	Common Collector
Current Gain	High	No	Considerable
Applications	Audio frequency	High frequency	Impedance matching
Input Resistance	Low	Low	Very high
Output Resistance	High	Very high	Low
Voltage Gain	Approx. 500	Approx. 150	Less than 1

トランジスタの長所と短所

次の表に、トランジスタの長所と短所を示します。

Advantages	Disadvantages
Low source voltage	Temperature dependency
High voltage gain	Lower power dissipation
Smaller in size	Low input impedance

現在の増幅係数（α）

コレクタ電流とベース電圧が一定の場合のコレクタ電流の変化とエミッタ電流の変化の比* V〜cb〜は、電流増幅率 *'α' として知られています。次のように表現できます

$ \ alpha = \ frac \ {\ Delta I_C} \ {\ Delta I_B} $定数V〜CB〜

電流増幅率が1未満であり、ベースが軽くドープされ、薄いと見なされるベース電流に反比例することは明らかです。

ベース電流増幅率（β）

これは、ベース電流の変化に対するコレクタ電流の変化の比率です。ベース電流のわずかな変動は、コレクタ電流の非常に大きな変化をもたらします。したがって、トランジスタは電流ゲインを達成できます。次のように表現できます

\ beta = \ frac \ {\ Delta I_C} \ {\ Delta I_B}

アンプとしてのトランジスタ

次の図は、負荷抵抗（R〜L〜）がコレクタ供給電圧（V〜cc〜）と直列であることを示しています。エミッタとベース間の小さな電圧変化*ΔV〜i〜*は、比較的大きなエミッタ電流変化*ΔI〜E〜*を引き起こします。

アンプとしてのトランジスタ

シンボル「a」-この現在の変化の一部-で定義され、収集されて* R〜L〜を通過します。負荷抵抗器の出力電圧の変化*ΔV〜o〜= a’RLΔI〜E〜*は、入力電圧の変化ΔV〜I〜の何倍にもなります。これらの状況では、電圧増幅 A == V〜O〜/ΔV〜I〜*は1より大きくなり、トランジスタは増幅器として機能します。

電界効果トランジスタ

電界効果トランジスタ（FET）は、3端子半導体デバイスです。その動作は、制御された入力電圧に基づいています。外観上、JFETとバイポーラトランジスタは非常に似ています。ただし、BJTは電流制御デバイスであり、JFETは入力電圧によって制御されます。最も一般的には2種類のFETが利用可能です。

接合型電界効果トランジスタ（JFET）
金属酸化物半導体FET（IGFET）

接合型電界効果トランジスタ

接合型電界効果トランジスタの機能は、多数キャリア（電子または正孔）の流れのみに依存します。基本的に、JFETは、側面にPN接合を含む N タイプまたは P タイプのシリコンバーで構成されます。以下は、FETについて覚えておくべき重要なポイントです-

ゲート-拡散または合金化技術を使用することにより、N型バーの両側が高濃度にドープされ、PN接合が作成されます。これらのドープ領域は、ゲート（G）と呼ばれます。
出典-半導体バーに入るための多数キャリアの入り口です。
ドレイン-多数のキャリアが半導体バーを出る際の出口です。
チャネル-多数キャリアがソースからドレインに通過するN型材料の領域です。

フィールド半導体デバイスで一般的に使用されるJFETには、 NチャネルJFET と PチャネルJFET の2種類があります。

NチャネルJFET

P型基板上にN型材料の薄層が形成されています。次の図は、NチャネルJFETの結晶構造と回路図記号を示しています。次に、P型材料を使用してNチャネルの上部にゲートを形成します。チャネルとゲートの端には、リード線が取り付けられており、基板には接続がありません。

DC電圧源をJFETのソースおよびドレインリードに接続すると、最大電流がチャネルを流れます。同じ量の電流がソース端子とドレイン端子から流れます。チャネル電流の量は、V〜DD〜の値とチャネルの内部抵抗によって決まります。

JFETのソース-ドレイン抵抗の典型的な値は、数百オームです。ゲートが開いていても、チャネル内で完全な電流伝導が発生することは明らかです。基本的に、IDに印加されるバイアス電圧の量は、JFETのチャネルを通過する電流キャリアの流れを制御します。ゲート電圧のわずかな変化により、JFETは完全な導通状態と遮断状態の間のどこでも制御できます。

NチャネルJFET

PチャネルJFET

N型基板上にP型材料の薄層が形成されています。次の図は、NチャネルJFETの結晶構造と回路図記号を示しています。ゲートは、N型材料でPチャネルの上に形成されます。チャンネルとゲートの端には、リード線が取り付けられています。残りの構造の詳細は、NチャネルJFETのものと同様です。

PチャネルJFET

通常、一般的な操作では、ゲート端子はソース端子に対して正になります。 P-N接合空乏層のサイズは、逆バイアスされたゲート電圧の値の変動に依存します。ゲート電圧のわずかな変化により、JFETは完全な導通状態と遮断状態の間のどこでも制御できます。

JFETの出力特性

JFETの出力特性は、次の図に示すように、一定のゲートソース電圧（V〜GS〜）でのドレイン電流（I〜D〜）とドレインソース電圧（V〜DS〜）の間に引き出されます。

JFET出力特性

最初は、ドレイン電流（I〜D〜）はドレインソース電圧（V〜DS〜）とともに急速に上昇しますが、ピンチオフ電圧（V〜P〜）として知られる電圧で突然一定になります。ピンチオフ電圧を超えると、チャネル幅が非常に狭くなるため、非常に小さなドレイン電流が流れることができます。したがって、ドレイン電流（I〜D〜）はピンチオフ電圧以上で一定のままです。

JFETのパラメーター

JFETの主なパラメーターは-

ACドレイン抵抗（Rd）
相互コンダクタンス
増幅率
ACドレイン抵抗（R〜d〜）*-一定のゲートソース間電圧でのドレイン電流の変化（ΔI〜D〜）に対するドレインソース電圧の変化（ΔV〜DS〜）の比率です。次のように表現できます。

R〜d〜=（ΔV〜DS〜）/（ΔI〜D〜）一定V〜GS〜

トランスコンダクタンス（g〜fs〜）-一定のドレイン-ソース電圧におけるドレイン電流の変化（ΔI〜D〜）とゲートソース電圧の変化（ΔV〜GS〜）の比です。次のように表現できます。

g〜fs〜=（ΔI〜D〜）/（ΔV〜GS〜）一定のV〜DS〜

増幅率（u）-ドレイン-ソース間電圧の変化（ΔV〜DS〜）とゲートソース間電圧の変化（ΔV〜GS〜）の一定ドレイン電流（ΔI〜D〜）の比です。次のように表現できます。

u =（ΔV〜DS〜）/（ΔV〜GS〜）定数I〜D〜

半導体デバイス-JFETバイアス

JFETにバイアスをかけるには、自己バイアス法と電位分割法の2つの方法があります。この章では、これら2つの方法について詳しく説明します。

自己バイアス法

次の図は、nチャネルJFETの自己バイアス方式を示しています。ドレイン電流は* R〜s〜を流れ、必要なバイアス電圧を生成します。したがって、 R〜s〜*はバイアス抵抗です。

自己バイアス

したがって、バイアス抵抗両端の電圧、

V_s = I _ \ {DRS}

私たちが知っているように、ゲート電流は無視できるほど小さく、ゲート端子はDCグランドにあり、V〜G〜= 0、

V _ \ {GS} = V_G-V_s = 0-I _ \ {DRS}

または$ V _ \ {GS} = -I _ \ {DRS} $

V〜GS〜はゲートを負に保ちますw.r.t. ソースに。

分圧器方式

次の図は、JFETをバイアスする分圧器の方法を示しています。ここで、抵抗R〜1〜とR〜2〜はドレイン電源電圧（V〜DD〜）で分圧回路を形成し、トランジスタバイアスで使用されるものとほぼ同じです。

電圧分割器

R〜2〜の両端の電圧は、必要なバイアスを提供します-

V_2 = V_G = \ frac \ {V _ \ {DD}} \ {R_1 + R_2} \ times R_2

$ = V_2 + V _ \ {GS} + I_D + R_S $

または$ V _ \ {GS} = V_2-I _ \ {DRS} $

回路は、V〜GS〜が常に負になるように設計されています。動作点は、次の式を使用して見つけることができます-

I_D = \ frac \ {V_2-V _ \ {GS}} \ {R_S}

および$ V _ \ {DS} = V _ \ {DD}-I_D（R_D + R_S）$

半導体デバイス-MOSFET

MOSFETとも呼ばれる金属酸化物半導体電界効果トランジスタ*は、より重要であり、FETファミリーに新たに追加されました。

2つの高濃度ドープN型ゾーンが拡散された低濃度ドープP型基板を備えています。このデバイスのユニークな特徴は、そのゲート構造です。ここで、ゲートはチャネルから完全に絶縁されています。電圧がゲートに印加されると、静電荷が発生します。

この時点では、デバイスのゲート領域に電流は流れません。また、ゲートはデバイスの一部であり、金属でコーティングされています。一般に、ゲートとチャネル間の絶縁材料として二酸化ケイ素が使用されます。このため、「絶縁ゲートFET」としても知られています。広く使用されているMOSFETは2つあります。i）デプレッションMOSFET ii）エンハンスメントMOSFET。

D MOSFET

次の図は、nチャネルD-MOSFETと記号を示しています。ゲートは、一方のプレートとしてゲートを備えたコンデンサを形成し、もう一方のプレートは、誘電体としてSiO〜2〜層を備えたチャネルです。ゲート電圧が変化すると、コンデンサの電界が変化し、それによってnチャネルの抵抗が変化します。

この場合、正または負の電圧をゲートに印加できます。 MOSFETが負のゲート電圧で動作する場合、それは空乏モードと呼ばれ、正のゲート電圧で動作する場合、MOSFETの動作のエンハンスメントモードと呼ばれます。

D MOSFET

枯渇モード

次の図は、デプレッションモードで動作しているnチャネルD-MOSFETを示しています。

空乏モード操作

その動作は次のとおりです-

ゲートは負であり、 n チャネルの電子をはじくため、ほとんどの電子はゲートで利用できます。
この動作により、チャネルの一部に陽イオンが残ります。言い換えれば、 n チャンネルの自由電子の一部が枯渇しています。その結果、 n チャネルを通る電流伝導に利用できる電子の数が少なくなります。 *ゲートの負電圧が大きいほど、ソースからドレインへの電流は小さくなります。したがって、ゲートの負電圧を変えることにより、nチャネルの抵抗とソースからドレインへの電流を変えることができます。

拡張モード

次の図は、エンハンスメントモードの動作中のnチャネルD MOSFETを示しています。ここで、ゲートはコンデンサとして機能します。ただし、この場合、ゲートは正です。* n チャンネルの電子を誘発し、 *n チャンネルの電子数が増加します。

正のゲート電圧は、チャネルの導電率を向上または増加させます。ゲートの正電圧が大きいほど、ソースからドレインへの伝導が大きくなります。

したがって、ゲートの正電圧を変えることにより、nチャネルの抵抗とソースからドレインへの電流を変えることができます。

拡張モード

D – MOSFETの伝達特性

次の図は、D-MOSFETの伝達特性を示しています。

V〜GS〜が負になると、I〜D〜はI〜DSS〜の値を下回り、ゼロに到達してV〜GS〜= V〜GS〜（オフ）（空乏モード）になります。 V〜GS〜がゼロの場合、I〜D〜= I〜DSS〜は、ゲートとソース端子が短絡しているためです。 V〜GS〜が正で、MOSFETがエンハンスメントモードの場合、I〜D〜はI〜DSS〜の値を超えて増加します。

伝達特性

オペアンプ

オペアンプ、またはオペアンプは、高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスを備えた非常に高いゲインの差動アンプです。オペアンプは通常、電圧振幅の変化、発振器、フィルター回路などを提供するために使用されます。オペアンプには、非常に高い電圧ゲインを実現するために、複数の差動アンプ段が含まれる場合があります。

これは、出力と入力間の直接結合を使用した高ゲイン差動アンプです。これは、DCおよびAC操作に適しています。オペアンプは、計装機器、信号発生器、アクティブフィルターなど、多くの電子機能を実行します。さまざまな数学的操作に加えて。この汎用デバイスは、電圧コンパレータ、A/Dコンバーター、D/Aコンバーター、対数増幅器、非線形関数発生器など、多くの非線形アプリケーションでも使用されます。

基本的な差動アンプ

次の図は、基本的な差動アンプを示しています-

基本差動アンプ

上図では-

* V〜DI〜* =差動入力
* V〜DI〜* = V〜1〜– V〜2〜
* V〜DO〜* =差動出力
* V〜DO〜* = V〜C1〜-V〜C2〜

このアンプは、2つの入力信号V〜1〜とV〜2〜の差を増幅します。

差動電圧ゲイン、

A_d = \ frac \ {V _ \ {DO}} \ {V _ \ {DI}}

and

A_d = \ frac \ {（V _ \ {C1}-V _ \ {C2}）} \ {V _ \ {DI}}

次の図に示すように、基本的なオペアンプは3つのステージで構成されています-

オペアンプ

入力ステージ

これは最初の段階で、次の特徴があります。

高いCMR（コモンモード除去）
高入力インピーダンス
広い帯域幅
低（DC）入力オフセット

これらは、オペアンプの性能にとって重要な特性です。この段は差動増幅器段で構成され、トランジスタは定電流源として機能するようにバイアスされています。定電流源は、差動アンプのCMRを大幅に増加させます。

以下は、差動アンプへの2つの入力です-

V〜1〜=非反転入力
V〜2〜=反転入力

中間段階

これは2番目のステージであり、より良い電圧および電流ゲインを得るように設計されています。オペアンプのほとんどの電力が生成される出力段を駆動するのに十分な電流を供給するには、電流ゲインが必要です。このステージは、エミッタフォロワとDCレベルシフトステージが後に続く1つ以上の差動アンプで構成されます。レベルシフト回路により、アンプは1つの出力で2つの差動入力を持つことができます。

V_out = +ve	when V₁ > V₂
V_out = -ve	when V₂ < V₁
V_out = 0	when V₁ = V₂

出力段

これはオペアンプの最終段であり、出力インピーダンスが低くなるように設計されています。これにより、負荷を駆動するために必要な電流が供給されます。負荷が変化すると、出力段から多少の電流が引き出されます。したがって、出力負荷の影響を受けずに前段が動作することが不可欠です。この要件は、高い入力インピーダンスと高い電流ゲインを持つようにこのステージを設計することで満たされますが、出力インピーダンスは低くなります。

オペアンプには、*非反転入力*と*反転入力*の2つの入力があります。

非反転反転

上図は、オペアンプの反転タイプを示しています。反転入力端子に印加される信号は増幅されますが、出力信号は入力信号と位相が180度ずれています。非反転入力端子に加えられた信号は増幅され、出力信号は入力信号と同相になります。

オペアンプを多数の回路に接続して、さまざまな動作特性を提供できます。

半導体デバイス-実用的なオペアンプ

反転増幅器

次の図は、反転増幅器を示しています。入力信号は増幅され、反転されます。これは、最も広く使用されている定ゲインアンプ回路です。

V〜o〜= -R〜f〜.V〜in〜/R〜1〜

電圧ゲインA =（-R〜f〜/R〜1〜）

反転アンプ

非反転アンプ

次の図は、非反転アンプまたは定ゲイン乗算器として機能し、周波数安定性が向上したオペアンプ回路を示しています。

入力信号は増幅されますが、反転されません。

出力V〜o〜= [（R〜1〜+ R〜f〜）/R〜1〜] V〜1〜

電圧ゲインA =（R〜1〜+ R〜f〜）/R〜1〜

非反転アンプ

反転加算増幅器

次の図は、反転加算増幅器を示しています。これは、オペアンプの最も使用されている回路です。この回路は3入力加算増幅器を示しています。これは、それぞれが定ゲイン係数で乗算された3つの電圧を代数的に加算する手段を提供します。出力電圧は、

V〜o〜= [（-R〜4〜/R〜1〜）V〜1〜] [（-R〜4〜/R〜2〜）V〜2〜] [（-R〜4〜/R 〜3〜）V〜3〜]

V〜o〜= -R〜4〜（V〜1〜/R〜1〜+ V〜2〜/R〜2〜+ V〜3〜/R〜3〜）

If、R〜1〜= R〜2〜= R〜3〜= R〜4〜= R＆R〜s〜= R/3

V〜o〜=-（V〜1〜+ V〜2〜+ V〜3〜）

サミングアンプ

半導体デバイス-インテグレーター

次の図は、使用されるフィードバックコンポーネントがコンデンサであり、その結果の接続が積分器と呼ばれることを示しています。

インテグレーター

仮想グランドの等価物は、入力と出力の間の電圧の表現が、入力から出力への電流（I）の観点から導出できることを示しています。仮想接地とは、RとX〜C〜の接合部の電圧を接地と見なすことができることを思い出してください（V〜i〜≈0 Vであるため）が、その時点では電流が接地に流れません。容量性インピーダンスは次のように表すことができます

X_C = \ frac \ {1} \ {jwC} = \ frac \ {1} \ {sC}

ラプラス表記の s = jw。 $ V_o/V_i $の方程式を解くと、次の方程式が得られます

I = \ frac \ {V_1} \ {R_1} = \ frac \ {-V_0} \ {X_c} = \ frac \ {-\ frac \ {V_0} \ {I}} \ {sC} = \ frac \ {V_0} \ {V_1}

\ frac \ {V_0} \ {V_1} = \ frac \ {-1} \ {sCR_1}

時間領域で次のように記述できます。

V_o（t）=-\ frac \ {1} \ {RC} \ int V_1（t）dt

半導体デバイス-差別化要因

微分回路を次の図に示します。

Differentiator

微分器は有用な操作を提供し、回路の結果の関係は

V〜o〜（t）= RC（dv1（t）/dt

以下は、オペアンプのいくつかの重要なパラメータです-

開ループ電圧利得（AVOL）

オペアンプの開ループ電圧ゲインは、負帰還が使用されていない条件下での差動ゲインです。 AVOLの範囲は74 db〜100 dbです。

AVOL = [V〜o〜/（V〜1〜– V〜2〜）]

出力オフセット電圧（VOO）

オペアンプの出力オフセット電圧は、差動入力電圧がゼロのときの出力電圧です。

コモンモード除去（CMR）

両方の入力が同じ電位にあり、差動入力がゼロの場合、および出力がゼロの場合、オペアンプのコモンモード除去は良好であると言われます。

コモンモードゲイン（AC）

オペアンプのコモンモードゲインは、コモンモード入力電圧に対するコモンモード出力電圧の比率です。

微分ゲイン（AD）

オペアンプの差動ゲインは、差動入力に対する出力の比率です。

広告= [V〜o〜/（V〜1〜）-V〜2〜]

コモンモード除去比（CMRR）

オペアンプのCMRRは、閉ループ差動ゲインとコモンモードゲインの比として定義されます。

CMRR = Ad/AC

スルーレート（SR）

スルーレートは、ステップ入力電圧によって生じる出力電圧の変化率です。理想的なスルーレートは無限です。つまり、オペアンプの出力は、入力ステップ電圧に応じて即座に変化します。

微分器、積分器、加算増幅器など、オペアンプのいくつかのアプリケーションについてはすでに説明しました。オペアンプの他の一般的なアプリケーションは次のとおりです-

対数アンプ
ジャイレーター（インダクタンスシミュレーター）
DC＆AC電圧フォロワー
A/Dコンバーター
D/Aコンバーター
過電圧保護用の電源
極性インジケーター
電圧フォロワー
アクティブフィルター

半導体デバイス-発振器

発振器は、*正弦波発振器*として知られる正弦波振動を生成する電子回路です。 DC源からの入力エネルギーを、特定の周波数で既知の振幅の周期的波形のAC出力エネルギーに変換します。発振器の特徴は、AC出力を維持することです。

次の図は、外部から入力信号が印加されていない場合でもフィードバック信号を備えた増幅器を示しています。正弦波発振器は基本的にフィードバック増幅器の一種であり、電圧ゲイン* A〜v〜*およびフィードバックネットワーク*β*に特別な要件が課されます。

フィードバックネットワーク

フィードバック電圧V〜f〜=βV〜O〜が全入力電圧を供給する上図のフィードバック増幅器を考えてみましょう

$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $（1）

$ V_i = A_V \ beta V_i $または$（1-A_V \ beta）V_i = 0 $（2）

出力電圧を生成する場合、入力電圧をゼロにすることはできません。したがって、V〜i〜が存在するために、式（2）は

$（1-A_V \ beta）= 0 $または$ A_V \ beta = 1 $（3）

方程式（3）は*「Barkhausen基準」*として知られ、振動の2つの基本要件を述べています-

ループゲインと呼ばれる、アンプとフィードバックループの周囲の電圧ゲインは、1または$ A_V \ beta = 1 $でなければなりません。
ループ位相シフトと呼ばれる$ V_i $と$ V_f $間の位相シフトはゼロでなければなりません。

これらの2つの条件が満たされると、上図のフィードバックアンプは一貫して正弦波出力波形を生成します。

次に、いくつかの典型的な発振器回路について詳しく説明します。

位相シフト発振器

フィードバック回路の基本的な進歩に従う発振器回路は、位相シフト発振器です。次の図に、位相シフト発振器を示します。発振の要件は、ループゲイン（βA）が1より大きく、入力と出力間の位相シフトが360 ^ o ^であることです。

フィードバックは、RCネットワークの出力からアンプ入力に戻されます。オペアンプアンプステージは初期の180度シフトを提供し、RCネットワークは追加の位相シフトを導入します。特定の周波数では、ネットワークによって導入される位相シフトは正確に180度であるため、ループは360度になり、フィードバック電圧は同相入力電圧になります。

RC位相シフト

フィードバックネットワークのRCステージの最小数は3です。各セクションは60度の位相シフトを提供します。 RCオシレーターは、数サイクルから約100 KHzまでのオーディオ周波数の範囲に最適です。より高い周波数では、ネットワークインピーダンスが非常に低くなるため、アンプに深刻な負荷がかかり、そのため電圧ゲインが必要な最小値を下回り、発振が停止します。

低周波数では、負荷効果は通常問題にならず、必要な大きな抵抗値と容量値がすぐに利用できます。基本的なネットワーク解析を使用すると、周波数振動は次のように表現できます。

f = \ frac \ {1} \ {2 \ pi RC \ sqrt \ {6}}

Wien Bridgeオシレーター

実際の発振器回路は、オペアンプとRCブリッジ回路を使用し、発振器周波数は R および C コンポーネントによって設定されます。次の図は、ウィーンブリッジ発振器回路の基本バージョンを示しています。

Wien Bridge Oscillator

基本的なブリッジ接続に注意してください。抵抗R〜1〜およびR〜2〜とコンデンサC〜1〜およびC〜2〜は周波数調整要素を形成し、抵抗R〜3〜およびR〜4〜はフィードバック経路の一部を形成します。

このアプリケーションでは、ブリッジへの入力電圧（V〜i〜）はアンプの出力電圧であり、ブリッジの出力電圧（V〜o〜）はアンプの入力にフィードバックされます。オペアンプの入出力インピーダンスの負荷効果を無視すると、ブリッジ回路の解析により

\ frac \ {R_3} \ {R_4} = \ frac \ {R_1} \ {R_2} + \ frac \ {C_2} \ {C_1}

and

f = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {R_1C_1R_2C_2}}

R〜1〜= R〜2〜= RおよびC〜1〜= C〜2〜= Cの場合、結果の発振器周波数は

f_o = \ frac \ {1} \ {2 \ pi RC}

ハートレー発振器

次の図は、ハートレー発振器を示しています。最も一般的なRF回路の1つです。通常、通信放送受信機の局部発振器として使用されます。共通エミッタ接続のバイポーラ接合トランジスタは電圧増幅器であり、R〜1〜、R〜2〜、R〜E〜で構成されるユニバーサルバイアス回路によってバイアスされます。エミッタバイパスコンデンサ（C〜E〜）は、この単一トランジスタステージの電圧ゲインを増加させます。

Hartley Oscillator

コレクタ回路の無線周波数チョーク（RFC）は、RF周波数で開回路として機能し、RFエネルギーが電源に入らないようにします。タンク回路は、L〜1〜、L〜2〜、およびCで構成されています。振動の周波数は、L〜1〜、L〜2〜、およびCの値によって決まり、LCタンク回路の共振周波数での振動によって決まります。この共振周波数は

f_o = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {L_TC}}

負荷が大きく、発振周波数が影響を受けない場合、出力信号は容量結合によってコレクタから取得できます。

圧電性

圧電特性は多くの天然結晶物質によって示されますが、その中で最も重要なのは、石英、ロシェル塩、およびトルマリンです。これらの材料に正弦波電圧が印加されると、印加電圧周波数で振動します。

一方、これらの材料が圧縮され、機械的歪みの下に置かれて振動すると、同等の正弦波電圧が生成されます。したがって、これらの材料は圧電結晶と呼ばれます。水晶は最も人気のある圧電結晶です。

水晶発振器

水晶発振器の回路図を次の図に示します。

水晶発振器

ここの水晶は調整された回路として機能します。水晶の等価回路を以下に示します。

等価タンク回路

水晶発振器には、直列共振周波数と並列共振周波数の2つの共振周波数があります。

直列共振周波数

f_s = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {LC}}

並列共振周波数

f_p = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {LC_T}}

C/Cmは非常に小さいため、2つの共振周波数はほぼ同じです。上の図では、水晶は並列共振モードで動作するように接続されています。

抵抗器R〜1〜、R〜2〜、R〜E〜、およびトランジスタは一緒にアンプ回路を形成します。抵抗R〜1〜およびR〜2〜は、電圧安定化DCバイアスを提供します。コンデンサ（C〜E〜）はエミッタ抵抗（R〜E〜）のACバイパスを提供し、RFCは発振器によって生成された周波数に対して高インピーダンスを提供し、それらが電力線に入らないようにします。

水晶はコンデンサC〜1〜およびC〜2〜と並列であり、そのインピーダンスが最大の場合、コレクタからエミッタへの最大電圧フィードバックが可能です。他の周波数では、水晶のインピーダンスが低いため、結果のフィードバックが小さすぎて発振を維持できません。発振器の周波数は、水晶の並列共振周波数で安定しています。

フィードバックと補償

バイアスネットワークの基本的な目的は、回路の動作点でコレクター-ベース-エミッター間の電圧と電流の関係を確立することです（動作点は静止点、Q-点、無信号点、アイドル点、または静的ポイント）。トランジスタがこのQポイントで動作することはめったにないため、基本的なバイアスネットワークは一般に設計の基準または開始点として使用されます。

実際の回路構成、特にバイアスネットワークの値は、動的な回路条件（必要な出力電圧振幅、予想される入力信号レベルなど）に基づいて選択されます。目的の動作点が確立されると、バイアスネットワークの次の機能はこの時点でアンプ回路を安定させます。基本的なバイアスネットワークは、温度と電源の変化、およびトランジスタの交換の可能性がある場合に、必要な電流関係を維持する必要があります。

場合によっては、周波数の変化とコンポーネントによって引き起こされる変化も、バイアスネットワークによって相殺する必要があります。このプロセスは、一般にバイアス安定化と呼ばれます。適切なバイアス安定化により、アンプ回路が目的の動作点（実際の制限内）に維持され、熱暴走が防止されます。

安定係数「S」

これは、コレクタ電流w.r.tの変化率として定義されます。逆飽和電流、βおよびV〜BE〜を一定に保ちます。次のように表現されます

S = \ frac \ {\ mathrm \ {d} I_c} \ {\ mathrm \ {d} I_c}

バイアス安定化方法

温度変化やトランジスタのパラメータの変動に依存しない動作点を作成する方法は、*安定化*として知られています。ソリッドステート増幅器のバイアス安定化を提供するためのいくつかのスキームがあります。これらのスキームはすべて、否定的なフィードバックの形をとっています。つまり、トランジスタ電流のどの段階でも、対応する電圧または電流の変化が生じ、初期変化と釣り合う傾向があります。

負帰還を生成するには、逆電圧帰還と逆電流帰還の2つの基本的な方法があります。

逆電圧フィードバック

次の図は、基本的な逆電圧バイアスネットワークを示しています。エミッターベース接合部は、R〜1〜とR〜2〜の接合部の電圧によって順方向にバイアスされます。ベース-コレクタ接合は、コレクタとベースの電圧の差によって逆バイアスされます。

逆電圧フィードバック

通常、抵抗結合アンプのコレクターは、コレクターとベースの間に接続された電源抵抗（R〜3〜）の約半分の電圧です。コレクタ電圧は正なので、この電圧の一部はベースにフィードバックされ、順方向バイアスをサポートします。

エミッタ-ベース接合の通常（またはQポイント）の順方向バイアスは、エミッタとベース間のすべての電圧の結果です。コレクタ電流が増加すると、R〜L〜で大きな電圧降下が発生します。その結果、コレクターの電圧が低下し、R〜3〜を介したベースへの電圧フィードバックが減少します。これにより、エミッターベースの順方向バイアスが減少し、エミッター電流が減少し、コレクター電流が通常の値に低下します。コレクタ電流が最初に減少すると、反対のアクションが発生し、コレクタ電流は通常の（Qポイント）値まで上昇します。

アンプ内の任意の形式の負帰還または逆帰還は、増幅される信号によって生じる変化も含め、すべての変化に対抗する傾向があります。この逆または負のフィードバックは、ゲインだけでなく、望ましくない変化を低減および安定させる傾向があります。フィードバックによってゲインを安定させるこの原理は、多かれ少なかれすべてのタイプのアンプで使用されています。

逆電流フィードバック

次の図は、NPNトランジスタを使用した独特の逆電流（エミッターフィードバック）バイアスネットワークを示しています。ソリッドステートアンプでは、電圧フィードバックよりも電流フィードバックの方が一般的に使用されます。これは、トランジスタが主に電圧動作デバイスではなく電流動作デバイスであるためです。

バイアス回路でのエミッタ帰還抵抗の使用は、次のようにまとめることができます。ベース電流は、ベースとエミッタ間の電圧の差に依存します。差動電圧が低下すると、流れるベース電流が減少します。

エミッタフィードバック

差が大きくなると、逆のことが言えます。コレクターを流れるすべての電流。エミッタ抵抗で電圧が低下するため、完全には依存しません。コレクタ電流が増加すると、エミッタ電流とエミッタ抵抗両端の電圧降下も増加します。この負のフィードバックは、ベースとエミッタ間の差を減少させ、ベース電流を低下させる傾向があります。同様に、ベース電流が低いとコレクタ電流が減少する傾向があり、初期コレクタ電流の増加と相殺します。

バイアス補正

ソリッドステートアンプでは、特定のアプリケーションで信号ゲインの損失が許容できない場合、動作点のドリフトを低減するために補償技術がよく使用されます。最大のバイアスと熱安定化を提供するために、補償と安定化の両方の方法を併用できます。

次の図は、ダイオード補償と自己バイアス安定化の両方を利用したダイオード補償技術を示しています。ダイオードとトランジスタの両方が同じタイプの場合、それらは回路全体で同じ温度係数を持ちます。ここで、ダイオードは順方向にバイアスされています。指定された回路のKVLは次のように表すことができます-

$$ I_c = \ frac \ {\ beta [V-（V _ \ {BE}-V_o）] +（Rb + Rc）（\ beta + 1）ICO} \ {Rb + Rc（1 + \ beta）} $ $

上記の式から、$ V _ \ {BE} $がVO w.r.tに続くことが明らかです。温度とIcは、$ V _ \ {BE} $の変動には影響しません。これは、$ V _ \ {BE} $の変動によるトランジスタの動作点を管理するための効果的な方法です。

バイアス補正

温度補償デバイス

温度に敏感なデバイスを使用して、トランジスタの内部特性の変動を補正することもできます。サーミスタの温度係数は負です。つまり、温度が上昇すると、抵抗が指数関数的に減少します。次の図は、サーミスタ（R〜T〜）を使用して、温度による$ V _ \ {BE} $、ICO、またはβの変化によるコレクタ電流の増加を減らす回路を示しています。

補償サーミスタ

温度が上昇すると、R〜T〜が減少し、R〜T〜を介してR〜E〜に供給される電流が増加します。 R〜E〜での動作電圧降下は、トランジスタに逆バイアスをかける逆方向です。 R〜T〜は、温度の上昇により増加するICの増加を補償する傾向があります。

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