一番トランジスターの基本動作と構造に
ついて説明します
トランジスターはnpn
型トランジスターとPNP型
トランジスターがありますこの右図は
npnpnトランジスターで
この動作原理を説明します
まずB型のベースとN型のエミッターの
接続部分に
順方向の電圧
V
EB
V
beを
引火すると
エミッターの電子がベースの方向に
流れ込み一部が
の電子がベースの
成功と
結合しますこれがベースの微小電流となり
ます電流は電子の動きと反対に流れますの
でこちら方向にベース電流が流れることに
なります
またこのベースは構造的に薄く作られて
おりエミッターから
ベースに流入してきた電子の多くはその
ままコレクター側に
牛乳していきます
そして
コレクターとエミッター間に
vceの電圧を印加することによって
[音楽]
このエミッター側の電子はコレクター側の
電子の方に
動いていきますそれがコレクター電流と
なります
ここで
まずP型半導体について簡単に説明します
が
このほとんどはシリコンの4速の
原子がほとんどですがここにP型3足の
電子が
原子が1個あると
山賊は最外殻の電子が3つですので
基本
その他の電子と一つずつ1ペア共有する
ためツールとここが1個電子が
足りませんその足りない部分が
成功となってP型半導体となりますそれに
対してN型半導体は
再改革に5個の電子を持ちますそうすると
1個だけ
5個と
シリコンの4個
等を結合すると1個電子が余ることになり
この電子が
順番に
移動していって
N型の半導体になります
2番集積回路
IC内のトランジスター構造について説明
します
集積回路のトランジスターはまず
断面積
断面を見てもらうとこの
基盤となるサブストレートと呼ばれる
半導体の基盤は
P型になっていますそのP型にこの
緑の
エピソードと呼ばれますがこれを
基礎成長させることによってN型の半導体
を作りますそして
そのN型の中に
この黄色い
SPと呼ばれるピースをまた拡散します
これがベースになりますそしてその上に
N型の半導体を拡散しますこれが
エミッターとなりますそれと同時にここに
もN型の半導体を作るために
拡散しますこれがコレクターになります
すなわち
pnpnのトランジスターですこれがこれ
を上から見ると
このエピソードの上にP
型の半導体ベース層を作りその中に
[音楽]
N型のエミッターを作りますそしてこの
エピのN型のと接続するようにここにもN
型を入れて
コレクターを作りますそれを実際は
アルミを蒸着して
アルミとこの
角層を
接続することによって
コレクターとベースとエミッターの電極が
できますそしてこれが一つの
トランジスターになりこっちも一つの
トランジスターになりますがこの間を
ピースで
埋めることによってこれが一つの
トランジスターとして
独立に動くことになりますそして
トランジスターの
電流を流れやすくするために最初にこの
サブストレートのところに
塗装を
先に作っておきますそうすることによって
コレクターから
この薄い
ベースソーを通ってエミッターに
電流が流れやすくなりますこの
寸法はおよそ50年ほど前の
[音楽]
集積回路の
寸法になりますので今はこれがさらに
縮小されていると思います
これが使われたのは
テレビジョン受像機に
ICが導入された頃のものですので
約50年ほど前の
ものです
この一片が240ミクロンこちらが160
ミクロンそしてこのエミッターが
40ミクロンになりますそしておおよそ
この
ベース
[音楽]
が全体で2.8マイク8ミクロンで
エミッターがだいたい2ミクロンになり
ますのでこのベースの幅は
0.8ミクロンぐらいと非常に薄い構造に
なっていますこれは
nplトランジスターの実際の
アルミとか
酸化膜とかを
模式的に書いたものでこれによって
トランジスターが他のトランジスターと
接続して
たくさんのトランジスター回路が
接続されることになりますそしてここで
SNって書いてますのが
リンを拡散することによって
演奏を作ります
SPのこのベースはフォースを拡散して
いるようですDPもこのホースを拡散して
います
N型になる
材料としては
リンやヒソや
それからP型は
ホースやアルミニウムやインジウムこれら
を拡散することによってできるそうです
3番目
ICのマスク練習例
この例題を見て
ICの
概要が
わかると思いますので説明しますまず
回路を検討して回路がをこれで
IC化しようとする場合マスクを作成し
ます
そしてこのマスクの構成としましてはこの
紺色に塗られたところが
全体のグラウンドになりますこの
グランド
紺色のグランドは
ピースでこのトランジスターの分離とか
の全てに接続されていますこれが一番
ベースになるところですそしてこの
vcc端子ここに端子がありますそして
入院とアウトの
端子があります
[音楽]
まず
陰の端子はこちらになりますけどもここに
インの端子にまずここに
保護用のダイオードを作ります
静電気保護ダイオードですねこれは
エピソードのNとそれから
グランドに
接続しましたピースでNとPの
ダイオードになって入力がマイナスの
静電気ができた場合はここからこの
ダイオードを通して
逃げるようにしてこの内部に
影響を
与えないように
保護しようとするものですそして
トランジスターの
Q1これがnpnですそれがこの白い部分
のアルミでつながったこの部分が
トランジスターで
Q1の
ベース
黄色い部分に接続されますそしてこの
エミッターは
抵抗1kg
貞子300オームがつながっていますこの
赤い部分が
エミッターでそれがこの
抵抗
R1が繋がっていますこれは
R1は少しでも精度を良くするために
600オームの
抵抗をパーにして300オームを作ってい
ます
これは
N層のエピに
P層がありますのでこれは逆
トランジスターで電流が流れないように
なっています
そしてこの上のQ2は
PNPトランジスターですこれがPNP
トランジスターで
このP
ぐるっと囲んでいるのがBの
ベースそうになりますそしてこの中にある
のがエミッターになりますそして
コレクターはこの全体のエピがNで
コレクターになっています
断面的にはこのような感じでエピソードに
ビーソーが
ぐるっとあってその真ん中にリミッターの
ピースをがありますでこの
[音楽]
ベースはここに
接続してますけどわかりやすいように
この間に
この図ではあります
それが2つ繋がって
ベースベースベースが一緒につながってい
ますそしてさらに下に
PNPのトランジスターがあります
それがここになりますこの場合
コレクターが
グラウンドですのでコレクターがP層に
なってますので
端子が一つ少なく見えます
こういう使い方も少しでも
阻止の面積を小さくするためにこういう
使い方もしていますそしてこれ
らも同じようにnplのトランジスターが
ありますそしてこの黄色いのは
抵抗値でこれは長いですけれども
約10kmオーバーもあります
この半導体は
センチ
[音楽]
メディア辺り
[音楽]
200オームになっていますのでこれが
10cm10cmというかこの寸法で
10cmぐらいが10kgオームになり
ます
で出力はやはり保護ダイオードをつけて
守って
500オームで出力するようになってい
ます
4番npnトランジスターの動作について
説明しますまず先ほどの集積回路ICの
npnトランジスターのパラメーターの
一部がこれでN11
npnトランジスターですそして
isこれは
輸送
飽和電流
でそれからBFこれはベースに対する
コレクター電流がどれだけ
流せるかというHFほぼhfeのような
ものですそして
比較として2SC3311これは
60v100mahの通常の
トランジスターですそれがこのisは
48.6Eの15倍-15これと比較する
と
約700倍ぐらい違うので
このトランジスターは
ICの中の
トランジスターに比べて700倍ぐらい
エミッターの面積が
大きいと考えられます
それではnpnトランジスターの
エミッター
設置エミッターをグランドに設置した場合
の
ベース電圧を変化させた時にベース電流と
コレクター電流がどのように変化するかを
確認してみますこのトランジスターは
先ほどの集積回路のN11のパラメーター
を使っています
その結果がこちらで
ベースエミッター電圧を0.5vから徐々
に上げていくと
0.8vで
ほぼ
コレクター電流この青の線が
最大に近くなりますこの
0.8vの時のベース電流は
6.09マイクロアンペアになっています
その時の
コレクター電圧はこのように
急激に
低下します
この時の
電流の
倍率は
768マイクロアンペアに対して6
マイクロアンペアですから
170ぐらいあります
5番目npaNトランジスターの動作
カレントミラー回路について説明します
カレントミラー回路は集積回路の基本を
なしています
[音楽]
2つのnpnトランジスターのベースを
共通として
一方のベースとコレクターを
接続しますそしてこの
接続した側の
コレクターに
一定電流を流すとこちらの
反対側の
コレクターにも
同じ電流が流れることになりますこれに
よってこちらの電流が
鏡で写したようにこちらとこちらにも同じ
ような電流が流れるのでカレントミラー
回路と言います
ここではこの1mmaをこの電圧源0から
1Vで
コントロールしてこの
電流を0から1ma変化させますそれが
このグラフです
0から
1maまで増加させてあとは一定
値にしますこの
Q2のコレクター電流ここで
983mm
マイクロアンペアまで流れるますこれは
まずこの
結合によってコレクターからベース電流が
流れますこのベース電流とそれから
こちらのQ3のベース電流も流れますその
結果この回路では1maですがベース電流
が2個分減りますのでコレクター電流は
983マイクロアンペアとなります
そしてこのベース電流が流れることによっ
て
VBの電圧が発生しますこのVBの電圧は
こちらにも
当然接続されているので同じなので
このベース電流によってコレクター電流が
流れますがこのコレクター電流はこちらの
[音楽]
反対側のQ2のコレクター電流と
ほぼ一致します
[音楽]
これがカレントミラーの動作になります
6番npnトランジスターの動作で
過電流
検知回路を見てみます
この94のトランジスターのコレクター
に
抵抗がない時はベースコレクターが接続さ
れることになってこれは先ほどやりました
カレントミラー回路でこちらの電流が同じ
ようにこちらに流れるという回路ですが
ここに
コレクターのところに
抵抗を入れることによって
電流は
抵抗によって
電圧が下がる下がります
そして
それと同時に
このエミッターに
電源回路の
検出抵抗をつけます電流が流れると
流れた電流に
0.1ωをかけた電圧が上昇します
それによって1アンペア流れると
0.1v上昇しますのでこのエミッター
電圧が
上がりますそうするとベース電圧が
上がるわけですが
この
抵抗によって
電圧が下がりますのでこのトランジスター
こちらのトランジスターのカレントミラー
分は電流が
流れるか流れないかの
レベルが
この位置によって変わります
その結果この
抵抗と
流れる電流の
による電圧降下によって
ここのオンするレベルが変わりますそれに
よって電流
検出回路が
構成できます
[音楽]
実際に
過電流検出回路をLTスパイスで動かして
みますここではこの
[音楽]
ベースとコレクターの間の
抵抗を
R7とのリストとして1キロ2キロ3キロ
4キロ5キロ6キロ7キロと
変化させて
どういう電流検出を行うかを確認したいと
思いますそして
出力の電流として
最初の1mm節句の間は
電流が流れなくて1ms
後3ミリセックまでの間に電流が
0から10アンペア流れるように設定して
いますそして
時間を
遅くするためにこの
トランジェントのところの
MAX
の
時間を57セックにしますそして
らしてみます
[音楽]
最初は1ここが1キロをの時の状態2キロ
オームの状態3キロオームの状態ですここ
までは電流が流れていませんここから10
アンペアまで電流が流れるように設定し
ます
[音楽]
動作を確認するためにとりあえず
R7=1キロオームのだけの波形を出して
みますビューの
セレクトのこれを1kgオームにしてみ
ますします
ここで1キロをの時の動作波形が出ます
負荷電流が流れていない時はこの
トランジスターのベース電流
VB4
VB4は
731mmボルトになっていますそして
ここに100マイクロアンペア流してこの
抵抗が1キロオームですのでここの電圧は
約
0.1v下がったところになりますそれが
VB5vb5ですこれが
632mmボルトになっていますそして
ここから
電流が流れるとこの
抵抗のがの電圧が上昇しますので
vbe4もこの電圧の上昇とともに上昇し
ますそして
このVB5も
並行して上昇しますそしてここの電圧が
約0.8vに
0.8vになると
こちらに電流が流れますのでそれがこの
コレクター電流で流れて
飽和します
でこれではわかりにくいので
実際はここに
抵抗と
PNPトランジスターを続けてさらに
増幅することによって
検出しますその結果この辺で
急峻に
電流が流れますので
電流の検出としては非常に
はっきりとわかりますそれがここでここで
変わりますのでここは電流が1アンペア
流れたところです
実際はこの
95のコレクター電流が
徐々に変化しますのでこの変化するところ
とが1アンペアになるところをこの
抵抗値で選んで
これがオンするレベルを決定しています
それではもう一度
抵抗値を変化させた
グラフを見ます
これが先ほどの1キロオームのところです
これが2キロを3キロを4kgΩになると
VB5がの電圧が
1Vずつ下がっていきますので
検出するそれが
0.8vになるところは
この辺が0.8vですそれは
例えば
2キロオームですとこの辺になります
そうすると電流は2アンペアのところです
ねそれから
順番に
行って4キロをの時は
この辺でオンしますので
IDデッドの検出は
約44Aのところで
緑の線が立ち上がるようになってこれで
ほぼ
電流検出がこの
抵抗値を変えることによって
検出する電流値を変えることができるよう
な回路がありますこれも
修正機回路で初期に使われていました
素子数は非常に少ないので
簡単な回路で電流検知ができるという
メリットがあります