トランジスタトランジスタの概要

トランジスタ
	様々なパッケージのトランジスタ
種類	能動素子
発明	ジョン・バーディーン; ウォルター・ブラッテン; ウィリアム・ショックレー; （1947年）
ピン配置	エミッタ、コレクタ、ベース
電気用図記号
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1940年代末に実用化されると、真空管に代わってエレクトロニクスの主役となった。論理回路を構成するための電子部品としては最も普及しており、集積回路（IC）の多くは微細なトランジスタの集合体である。1965年にムーアの法則で予言された通り、CPUやMPUに内蔵されているトランジスタの数は増え続け、今ではひとつのチップに700億個以上^[1]のトランジスタが搭載されている製品もある。CPUやMPUは、それらの膨大な数のトランジスタが高速でスイッチングを行うことで動作しており、スマートフォンやパソコン、コンピュータネットワーク、テレビ、自動車などのあらゆる機器や装置の動作においてトランジスタが関与している。なお、この名称はtransfer（伝達）とresistor（抵抗）を組み合わせたかばん語であり、ジョン・R・ピアースによって1948年に名づけられた^[2]ものである。

歴史

一般には実用化につながった1947-1948年の、ベル研究所による発見および発明がトランジスタの始祖とされる。しかし、それ以前に増幅作用を持つ固体素子についての考察がよく知られているものでも何件かある。1925年、ユダヤ人物理学者ユリウス・エドガー・リリエンフェルトが、現在の電界効果トランジスタ (FET) に近い発明の特許をカナダで出願した^[3]。1934年にはドイツの発明家オスカー・ハイルが同様のデバイスについて特許を取得している^[4]^[5]。

1947年、ベル研究所の理論物理学者ジョン・バーディーンと実験物理学者ウォルター・ブラッテンは、半導体の表面における電子的性質の研究の過程で、高純度のゲルマニウム単結晶に、きわめて近づけて立てた2本の針の片方に電流を流すと、もう片方に大きな電流が流れるという現象を発見した。最初のトランジスタである点接触型トランジスタの発見である。固体物理学部門のリーダーだったウィリアム・ショックレーは、この現象を増幅に利用できる可能性に気づき、その後数か月間に大いに研究した。この研究は、固体による増幅素子の発明として、1948年6月30日に3人の連名で発表された。この3人は、この功績により、1956年のノーベル物理学賞を受賞している。transistor という用語はジョン・R・ピアースが考案した^[6]。物理学者で歴史家のロバート・アーンズ（英語版）によれば、ベル研究所の特許に関する公式文書には、ショックレーらが、前述のリリアンフェルトの特許に基づいて動作するデバイスを作ったことが書かれているが、それについて後の論文や文書は全く言及していないという^[7]。

1947年にベル研究所のJohn Bardeen、William Shockley、Walter H. Brattainが作った世界最初のトランジスタの実物
最初のトランジスタのレプリカ（複製品）

点接触型トランジスタは、その構造上、機械的に安定した動作が難しい。機械的に安定した接合型トランジスタは、「3人」のうち最初の発見の場に立ち会うことができなかったショックレーが発明した。シリコンを使った最初のトランジスタは、1954年にテキサス・インスツルメンツが開発した^[8]。これを成し遂げたのは、高純度の結晶成長の専門家ゴードン・ティールで、彼は以前ベル研究所に勤務していた^[9]。

日本でも、官民で研究や試作が行われた。最初の量産は、1954年頃に東京通信工業（現ソニー）が開始し、翌1955年に同社から日本初のトランジスタラジオ「TR-55」が商品化された^[10]^[11]。その後相次いで大手電機メーカーも量産を開始し、1958年あたりには主要な電機メーカーからトランジスタラジオが商品化される。このとき東京通信工業の主任研究員であった江崎玲於奈はトランジスタの不良品解析の過程で、固体におけるトンネル効果を実証する現象を発見・それを応用したエサキダイオードを発明し、1973年にノーベル物理学賞を受賞している（この段落の内容に関する詳細はトランジスタラジオ#日本における歴史を参照）。

世界初のMOSトランジスタは、1960年にベル研究所のカーング^{[英 1]}とアタラ^{[英 2]}が製造に成功した^[12]。

1960年代に入ると、生産歩留まりが上がってコストが下がったことや、真空管でしか扱えなかったテレビやFM放送 (VHF) のような高い周波数でも使えるようになったため、各社から小型トランジスタラジオやトランジスタテレビが発表される。材料が当初のゲルマニウムから現在の主流となっているシリコンに代わり、さらに高い電力やUHFでの使用が可能になる1970年までには、家庭用テレビやラジオから増幅素子としての真空管は姿を消していった。

その後、複数のトランジスタや周辺素子を1つのパッケージに集積させた集積回路が発明され、集積度を高めて、LSI（大規模集積回路）へと発展した。

動作の原理

トランジスタは、P型及びN型半導体の性質を利用している。

ここではNPN接合（端子は順にエミッタ、ベース、コレクタ）のバイポーラトランジスタ（後述）を例にとり説明する。

エミッタとコレクタはN型半導体であるため電子が過剰にあり、ベースはP型半導体であるため電子が不足（正孔を持つ）している。
エミッタ - コレクタ間に、エミッタ側を (-) として電圧をかけた場合を考える。PN接合においては、接合面でキャリアが相互に侵出し電荷を打ち消し合っている（空乏層）。電子は空乏層に阻まれ電流は流れない。
ここで更にエミッタ - ベース間に、エミッタ側を (-)として電圧をかける。このときはエミッタ - コレクタ間に電流が流れる。
1. ベース端子から電子が流れ出し、ベースに正孔が発生する（空乏層が薄くなる）。
2. エミッタに存在する電子がベースに向かい移動する。ベースに供給された正孔を利用し、電子がベースを通過する。
3. エミッタ - コレクタ間の電流はエミッタ - ベース間の電流に従って変化する（増幅）。

1960年代までの初期に多用されたPNP型のトランジスタの場合では、電源の極性（電流の向き）を逆（エミッタを (+)、コレクタ・ベースを (-)）にして、電子と正孔を入れ替えれば、同様の働きを行う。

増幅作用

エミッタ - ベース間のわずかな電流変化が、エミッタ - コレクタ間電流に大きな変化となって現れる。
エミッタ - ベース間の電流を入力信号とし、エミッタ - コレクタ間の電流を出力信号とすることで、増幅作用が得られる。
コレクタ電流 (I_C) がベース電流 (I_B) の何倍になるかを示す値を直流電流増幅率と呼び h_FE で表す。この値は数十から数百にまで及ぶ。 $h_{\mathit {FE}}={\frac {I_{C}}{I_{B}}}$ である。

スイッチング作用

増幅時同様、エミッタ - ベース間の電流（ベース電流）によってエミッタ - コレクタ間のより大きな電流（コレクタ電流）を制御できる仕組みを利用する。
ベースに与える小さな信号によってより大きな電流を制御できるため、メカニカルなリレースイッチの代わりに利用されることもある。
電流の大小ではなくON / OFFだけが制御の対象であるため、一定の線形性が求められる一般的な増幅作用の場合とは異なり、コレクタ電流とベース電流との比が直流電流増幅率よりも小さくなる飽和領域も使われる。
この作用により、論理回路などのデジタル回路を作ることができる。

脚注

注記（英語）

^ 英: Kahng
^ 英: Atalla
^ 英: bipolar transistor
^ 英: field effect transistor
^ 英: unipolar transistor
^ 英: insulated gate bipolar transistor
^ 英: grounded-trench-MOS assisted bipolar-mode field effect transistor
^ 英: uni-junction transistor
^ 英: programmable uni-junction transistor
^ 英: static induction transistor
^ 英: power bipolar transistor
^ 英: power transistor

出典

^ “NVIDIA GeForce ニュース”. NVIDIA. 2022年10月19日閲覧。
^ [1]。
^ Lilienfeld, Julius Edgar, "Method and apparatus for controlling electric current" アメリカ合衆国特許第 1,745,175号 1930-01-28 (filed in Canada 1925-10-22, in US 1926-10-08).
^ GB application 439457, Heil, Oskar, "Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices", published 1935-12-06, issued 1934-03-02 European Patent Office, filed in Great Britain 1934-03-02, (originally filed in Germany 1934-03-02).
^ https://spectrum.ieee.org/tech-history/silicon-revolution/how-europe-missed-the-transistor
^ David Bodanis (2005). Electric Universe. Crown Publishers, New York. ISBN 0-7394-5670-9
^ Arns, Robert G. (October 1998). “The other transistor: early history of the metal-oxide-semiconducor field-effect transistor”. Engineering Science and Education Journal 7 (5): 233–240. doi:10.1049/esej:19980509. ISSN 0963-7346.
^ J. Chelikowski, "Introduction: Silicon in all its Forms", Silicon: evolution and future of a technology (Editors: P. Siffert, E. F. Krimmel), p.1, Springer, 2004 ISBN 3540405461.
^ Grant McFarland, Microprocessor design: a practical guide from design planning to manufacturing, p.10, McGraw-Hill Professional, 2006 ISBN 0071459510.
^ TR-55ソニー公式サイト
^ 50年前のソニーが生んだもの日経エレクトロニクス雑誌ブログ、2005年8月5日
^ W. Heywang, K. H. Zaininger, "Silicon: The Semiconductor Material", Silicon: evolution and future of a technology (Editors: P. Siffert, E. F. Krimmel), p.36, Springer, 2004 ISBN 3540405461.

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[12] 英: Kahng

[13] 英: Atalla

[15] 英: bipolar transistor

[16] 英: field effect transistor

[17] 英: unipolar transistor

[18] 英: insulated gate bipolar transistor

[19] 英: grounded-trench-MOS assisted bipolar-mode field effect transistor

[20] 英: uni-junction transistor

[21] 英: programmable uni-junction transistor

[22] 英: static induction transistor

[23] 英: power bipolar transistor

[24] 英: power transistor

[1] “NVIDIA GeForce ニュース”. NVIDIA. 2022年10月19日閲覧。

[2] [1]。

[3] Lilienfeld, Julius Edgar, "Method and apparatus for controlling electric current" アメリカ合衆国特許第 1,745,175号 1930-01-28 (filed in Canada 1925-10-22, in US 1926-10-08).

[4] GB application 439457, Heil, Oskar, "Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices", published 1935-12-06, issued 1934-03-02 European Patent Office, filed in Great Britain 1934-03-02, (originally filed in Germany 1934-03-02).

[5] ttps://spectrum.ieee.org/tech-history/silicon-revolution/how-europe-missed-the-transistor

[6] David Bodanis (2005). Electric Universe. Crown Publishers, New York. ISBN 0-7394-5670-9

[7] Arns, Robert G. (October 1998). “The other transistor: early history of the metal-oxide-semiconducor field-effect transistor”. Engineering Science and Education Journal 7 (5): 233–240. doi:10.1049/esej:19980509. ISSN 0963-7346.

[8] J. Chelikowski, "Introduction: Silicon in all its Forms", Silicon: evolution and future of a technology (Editors: P. Siffert, E. F. Krimmel), p.1, Springer, 2004 ISBN 3540405461.

[9] Grant McFarland, Microprocessor design: a practical guide from design planning to manufacturing, p.10, McGraw-Hill Professional, 2006 ISBN 0071459510.

[10] TR-55ソニー公式サイト

[11] 50年前のソニーが生んだもの日経エレクトロニクス雑誌ブログ、2005年8月5日

[14] W. Heywang, K. H. Zaininger, "Silicon: The Semiconductor Material", Silicon: evolution and future of a technology (Editors: P. Siffert, E. F. Krimmel), p.36, Springer, 2004 ISBN 3540405461.

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[英 1]

[英 2]

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