バイポーラ接合トランジスタ

バイポーラ接合トランジスタ (BJT)

典型的な個々の BJT パッケージ。左から右へ: SOT-23、TO-92、TO-126、TO-3
動作原理	半導体
発明家	1947年12月
ピン名	コレクタ、ベース、エミッタ
電子シンボル
BJT PNPおよびNPN回路図記号

バイポーラ接合トランジスタ( BJT )は、電子と正孔の両方を電荷キャリアとして使用するタイプのトランジスタです。対照的に、電界効果トランジスタ(FET)などのユニポーラトランジスタは、1 種類の電荷キャリアのみを使用します。バイポーラトランジスタでは、端子の 1 つに注入された小さな電流によって、残りの 2 つの端子間のはるかに大きな電流を制御できるため、デバイスは増幅またはスイッチングが可能になります。

BJT は、n 型と p 型の2 つの半導体タイプ間の2 つのp-n 接合を使用します。これらは、材料の単結晶内の領域です。接合は、半導体材料の成長時にドーピングを変更する、金属ペレットを堆積させて合金接合を形成する、n 型および p 型のドーピング物質を結晶に拡散するなどの方法など、いくつかの異なる方法で作成できます。接合トランジスタの優れた予測可能性とパフォーマンスにより、元のポイントコンタクトトランジスタはすぐに置き換えられました。拡散トランジスタは、他のコンポーネントとともに、アナログ機能とデジタル機能の集積回路の要素です。1 つの回路で数百のバイポーラ接合トランジスタを非常に低コストで作成できます。

バイポーラ トランジスタ集積回路は、メインフレームやミニコンピュータの世代の主なアクティブ デバイスでしたが、現在ではほとんどのコンピュータ システムで、電界効果トランジスタ (FET) に依存する相補型金属酸化膜半導体 ( CMOS ) 集積回路が使用されています。バイポーラ トランジスタは、信号の増幅、スイッチング、およびBiCMOS を使用した混合信号集積回路に今でも使用されています。特殊なタイプは、高電圧スイッチ、無線周波数(RF) 増幅器、または高電流のスイッチングに 使用されます。

慣例により、図上の電流の方向は正電荷が移動する方向として示されます。これは従来の電流と呼ばれます^。ただし、金属導体内の電流は一般に電子の流れによるものです。電子は負電荷を帯びているため、従来の電流とは逆方向に移動します。一方、バイポーラ トランジスタ内では、電流は正電荷を帯びた正孔と負電荷を帯びた電子の両方で構成できます。この記事では、電流の矢印は従来の方向に示されていますが、正孔と電子の動きのラベルはトランジスタ内の実際の方向を示しています。

バイポーラ トランジスタのシンボル上の矢印は、ベースとエミッタ間の p-n 接合を示し、従来の電流が流れる方向を指しています。

BJT は、3 つの主な端子領域のドーピング タイプに基づいて、PNP タイプと NPN タイプとして存在します。NPN トランジスタは、薄い p ドープ領域を共有する 2 つの半導体接合で構成され、PNP トランジスタは、薄い n ドープ領域を共有する 2 つの半導体接合で構成されます。N タイプは、移動可能な電子を提供する不純物(リンやヒ素など) がドープされていることを意味し、p タイプは、電子を容易に受け入れる正孔を提供する不純物 (ホウ素など) がドープされていることを意味します。

BJT 内の電荷の流れは、電荷キャリア濃度の異なる 2 つの領域間の接合部を横切る電荷キャリア(電子と正孔)の拡散によって生じます。BJT の領域は、エミッタ、ベース、コレクタと呼ばれます。^[b]ディスクリート トランジスタには、これらの領域に接続するための3 つのリードがあります。通常、エミッタ領域は他の 2 つの層に比べて高濃度にドーピングされ、コレクタはベースよりも低濃度にドーピングされます (通常、10 倍^[2] )。設計上、BJT コレクタ電流の大部分は、高濃度にドーピングされたエミッタからベースに注入された電荷キャリアの流れによるもので、ベースでは少数キャリア(NPN では電子、PNP では正孔) がコレクタに向かって拡散するため、BJT は少数キャリア デバイスに分類されます。

通常の動作では、ベース・エミッタ接合は順方向バイアスされ、つまり接合の p ドープ側は n ドープ側よりも正の電位にあり、ベース・コレクタ接合は逆方向バイアスされます。順方向バイアスがベース・エミッタ接合に適用されるとき、熱的に生成されたキャリアとエミッタ空乏領域の反発電界との間の平衡が乱されます。これにより、熱的に励起されたキャリア (NPN では電子、PNP では正孔) がエミッタからベース領域に注入されます。これらのキャリアは、エミッタ近くの高濃度領域からコレクタ近くの低濃度領域に向かってベースを通る 拡散電流を生成します。

コレクタ・ベース接合に到達する前に再結合するキャリアの割合を最小限に抑えるには、トランジスタのベース領域を十分に薄くして、半導体の少数キャリアの寿命よりもはるかに短い時間でキャリアが拡散できるようにする必要があります。ベースを低濃度にドープすると、再結合率が低くなります。特に、ベースの厚さはキャリアの拡散長よりもはるかに小さくする必要があります。コレクタ・ベース接合は逆バイアスされているため、コレクタからベースへのキャリアの注入はごくわずかですが、エミッタからベースに注入され、拡散してコレクタ・ベースの空乏領域に到達したキャリアは、空乏領域の電界によってコレクタに押し流されます。薄い共有ベースと非対称のコレクタ・エミッタ・ドーピングが、直列に接続された 2 つの個別のダイオードとバイポーラ トランジスタの違いです。

コレクタ・エミッタ電流は、ベース・エミッタ電流（電流制御）によって制御されるか、ベース・エミッタ電圧（電圧制御）によって制御されると考えられます。これらの見方は、ベース・エミッタ接合の電流-電圧関係によって関連しており、これは通常のp-n接合（ダイオード）の指数関数的な電流-電圧曲線です。^[3]

コレクタ電流は、ベース領域における少数キャリアの濃度勾配によって説明される。^{[3] [4] [5]}低レベル注入（過剰キャリアが通常の多数キャリアよりもはるかに少ない）により、両極性輸送速度（過剰多数キャリアと少数キャリアが同じ速度で流れる）は、事実上、過剰少数キャリアによって決定される。

トランジスタの動作の詳細なトランジスタモデル、例えばグンメル・プーンモデルは、この電荷の分布を明示的に考慮して、トランジスタの動作をより正確に説明しています。^[6]電荷制御ビューは、ベース領域の少数キャリアが光子の吸収によって生成されるフォトトランジスタを簡単に処理し、ベース領域の再結合の電荷に依存するターンオフまたは回復時間のダイナミクスを処理します。ただし、ベース電荷は端子で目に見える信号ではないため、回路の設計と解析では一般に電流制御ビューと電圧制御ビューが使用されます。

アナログ回路設計では、電流制御ビューが近似的に線形であるため使用されることがあります。つまり、コレクタ電流はベース電流の約倍です。いくつかの基本回路は、ベース・エミッタ間電圧が近似的に一定で、コレクタ電流がベース電流のβ倍であると仮定して設計できます。ただし、量産 BJT 回路を正確かつ確実に設計するには、電圧制御モデル (例: Ebers-Moll モデル) が必要です。^[3]電圧制御モデルでは指数関数を考慮する必要がありますが、Ebers-Moll モデルのようにトランジスタをトランスコンダクタンスとしてモデル化できるように線形化すると、差動増幅器などの回路の設計は再びほぼ線形の問題になるため、電圧制御ビューが好まれることが多いです。指数 I-V 曲線が動作の鍵となるトランスリニア回路では、トランジスタは通常、トランスコンダクタンスがコレクタ電流に比例する電圧制御電流源としてモデル化されます。一般に、トランジスタ レベルの回路解析はSPICEまたは同等のアナログ回路シミュレータを使用して実行されるため、数学モデルの複雑さは通常、設計者にとってそれほど問題にはなりませんが、特性を簡略化して表示することで、論理的なプロセスに従って設計を作成できます。 ${\displaystyle \beta _{\text{F}}}$

バイポーラ トランジスタ、特にパワー トランジスタは、飽和状態になるとベース蓄積時間が長くなります。このベース蓄積により、スイッチング アプリケーションでのターンオフ時間が制限されます。ベイカークランプは、トランジスタが過度に飽和するのを防ぎ、ベースに蓄積される電荷​​の量を減らしてスイッチング時間を改善します。

ベースを通過してコレクタに到達できるキャリアの割合は、BJT 効率の尺度です。エミッタ領域の高濃度ドーピングとベース領域の低濃度ドーピングにより、ベースからエミッタに注入される正孔よりも、エミッタからベースに注入される電子のほうが多くなります。ベース領域が薄く低濃度ドーピングされているということは、ベースに注入される少数キャリアのほとんどがコレクタに拡散し、再結合しないことを意味します。

共通エミッタ電流ゲインは、 β _Fまたはhパラメータ h _FEで表されます。これは、順方向アクティブ領域におけるコレクタの直流電流とベースの直流電流の比率にほぼ相当します。(下付き文字 F は、順方向アクティブ動作モードを示すために使用されます。) 小信号トランジスタの場合、通常は 50 より大きくなりますが、高出力アプリケーション用に設計されたトランジスタの場合は小さくなることがあります。注入効率とベースでの再結合の両方が BJT ゲインを低下させます。

もう 1 つの有用な特性は、共通ベース電流ゲインα _Fです。共通ベース電流ゲインは、順方向アクティブ領域におけるエミッタからコレクタへの電流のゲインとほぼ等しくなります。この比率は通常、1 に近い値 (0.980 ～ 0.998) になります。この値は、電荷キャリアがベース領域を通過する際に再結合するため、1 より小さくなります。

アルファとベータは、次の同一性によって関連しています。

${\displaystyle {\begin{aligned}\alpha _{\text{F}}&={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{E}}}},&\beta _{\text{F}}&={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{B}}}},\\\alpha _{\text{F}}&={\frac {\beta _{\text{F}}}{1+\beta _{\text{F}}}}&\iff \beta _{\text{F}}&={\frac {\alpha _{\text{F}}}{1-\alpha _{\text{F}}}}.\end{aligned}}}$

ベータはバイポーラ トランジスタの性能を表す便​​利な性能指数ですが、デバイスの基本的な物理的特性ではありません。バイポーラ トランジスタは電圧制御デバイスと考えることができます (基本的にコレクタ電流はベース エミッタ電圧によって制御されます。ベース電流は欠陥と見なすことができ、ベース エミッタ接合の特性とベースでの再結合によって制御されます)。多くの設計では、ベータは十分に高いため、ベース電流は回路にほとんど影響を与えません。一部の回路 (通常はスイッチング回路) では、十分なベース電流が供給されるため、特定のデバイスのベータ値が最低であっても、必要なコレクタ電流が流れます。

BJT は、エミッタ領域、ベース領域、コレクタ領域の 3 つの異なるドーピングされた半導体領域で構成されています。これらの領域は、 PNP トランジスタではそれぞれpタイプ、nタイプ、pタイプ、NPN トランジスタではnタイプ、pタイプ、nタイプです。各半導体領域は、エミッタ(E)、ベース(B)、コレクタ(C) と適切にラベル付けされた端子に接続されています。

ベースは物理的にはエミッタとコレクタの間にあり、低濃度ドープの高抵抗材料で作られています。コレクタはエミッタ領域を囲んでいるため、ベース領域に注入された電子が収集されずに逃げることはほぼ不可能です。そのため、α の値は 1 に非常に近くなり、トランジスタの β が大きくなります。BJT の断面図を見ると、コレクタ - ベース接合の面積がエミッタ - ベース接合の面積よりはるかに大きいことがわかります。

バイポーラ接合トランジスタは、他のトランジスタとは異なり、通常は対称的なデバイスではありません。つまり、コレクタとエミッタを交換すると、トランジスタは順方向アクティブ モードを離れ、逆モードで動作し始めます。トランジスタの内部構造は通常、順方向モード動作用に最適化されているため、コレクタとエミッタを交換すると、逆動作での α と β の値は順方向動作の場合よりもはるかに小さくなります。逆モードの α は 0.5 未満になることがよくあります。対称性の欠如は、主にエミッタとコレクタのドーピング比によるものです。エミッタは高濃度にドーピングされ、コレクタは低濃度にドーピングされているため、コレクタ - ベース接合が破壊される前に大きな逆バイアス電圧を印加できます。コレクタ - ベース接合は、通常の動作では逆バイアスされています。エミッタが高濃度にドーピングされている理由は、エミッタ注入効率、つまりエミッタによって注入されるキャリアとベースによって注入されるキャリアの比率を高めるためです。高い電流利得を得るには、エミッタ - ベース接合に注入されるキャリアの大部分がエミッタから来なければなりません。

CMOS プロセスで使用されることがある低性能の「ラテラル」バイポーラ トランジスタは、対称的に設計されることがあります。つまり、順方向と逆方向の動作に違いはありません。

ベース・エミッタ端子間に印加される電圧がわずかに変化すると、エミッタとコレクタ間の電流が大きく変化します。この効果を利用して、入力電圧または電流を増幅することができます。BJT は電圧制御電流源と考えることができますが、ベースでのインピーダンスが低いため、より単純に電流制御電流源、または電流増幅器として特徴付けられます。

初期のトランジスタはゲルマニウムで作られていましたが、現代の BJT のほとんどはシリコンで作られています。また、特に超高速アプリケーションでは、少数ですがガリウムヒ素で作られるものもあります(以下の HBT を参照)。

ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）はBJTの改良版で、数百GHzまでの非常に高い周波数の信号を処理できます。現代の超高速回路、主にRFシステムでよく使用されています。^{[7] [8]}

一般的に使用される HBT はシリコンゲルマニウムとアルミニウムガリウムヒ素の 2 つですが、HBT 構造にはさまざまな半導体を使用できます。HBT 構造は通常、MOCVDやMBEなどのエピタキシー技術によって成長します。

バイポーラトランジスタには、BJT接合バイアスによって定義される4つの異なる動作領域があります。^{[9] [10]}

フォワードアクティブ（または単にアクティブ）

ベース・エミッタ接合は順方向バイアスされ、ベース・コレクタ接合は逆方向バイアスされます。ほとんどのバイポーラ トランジスタは、順方向アクティブ モードで最大の共通エミッタ電流ゲイン β _{F が}得られるように設計されています。この場合、コレクタ・エミッタ電流はベース電流にほぼ 比例しますが、ベース電流の小さな変化に対しては何倍も大きくなります。

逆アクティブ（または逆アクティブ、反転）

順方向アクティブ領域のバイアス条件を反転すると、バイポーラ トランジスタは逆方向アクティブ モードになります。このモードでは、エミッタ領域とコレクタ領域の役割が切り替わります。ほとんどの BJT は順方向アクティブ モードで電流ゲインを最大化するように設計されているため、反転モードでの β _{F は数倍小さくなります (通常のゲルマニウム トランジスタの場合は 2 ～ 3 倍)。このトランジスタ モードはほとんど使用されず、通常はフェイルセーフ条件と一部のタイプの}バイポーラ ロジックでのみ考慮されます。この領域では、ベースへの逆方向バイアス ブレークダウン電圧が 1 桁低くなる場合があります。

飽和

両方の接合が順方向にバイアスされると、BJT は飽和モードになり、エミッタからコレクタへの高電流伝導を促進します (または、NPN の場合は、負に帯電したキャリアがエミッタからコレクタに流れる逆方向)。このモードは、論理的な「オン」、つまり閉じたスイッチに対応します。

切り落とす

カットオフでは、飽和とは逆のバイアス条件（両方の接合が逆バイアス）が存在します。電流は非常に少なく、これは論理的な「オフ」またはオープンスイッチに相当します。

これらの領域は、十分に大きな印加電圧に対しては明確に定義されていますが、小さい (数百ミリボルト未満) バイアスに対しては、多少重複します。たとえば、デジタル ロジックのプルダウン スイッチとして使用される NPN BJT の一般的な接地エミッタ構成では、ベース電圧が接地電圧を下回ることはないため、「オフ」状態では逆バイアス接合は発生しません。ただし、順方向バイアスはゼロに十分近いため、実質的に電流は流れません。そのため、順方向アクティブ領域のこの端は、カットオフ領域と見なすことができます。

この図は、2 つの電圧源に接続された NPN トランジスタの概略図です (電流の流れと印加電圧の方向が逆の PNP トランジスタにも同じ説明が当てはまります)。この印加電圧により、下側の p-n 接合が順方向バイアスされ、エミッタからベースへの電子の流れが可能になります。アクティブ モードでは、ベースとコレクタの間に存在する電界 ( V _CEにより発生) により、これらの電子の大部分が上側の p-n 接合を通過してコレクタに流れ込み、コレクタ電流I _{C を}形成します。残りの電子は、ベースの多数キャリアであるホールと再結合し、ベース接続を通る電流となってベース電流I _Bを形成します。図に示すように、エミッタ電流I _Eはトランジスタの総電流であり、他の端子電流の合計です (つまり、I _E  =  I _B  +  I _C )。

図では、電流を表す矢印は、通常の電流の方向を指しています。電子は負の電荷を帯びているため、電子の流れは矢印と反対方向になります。アクティブモードでは、コレクタ電流とベース電流の比は、DC電流ゲインと呼ばれます。このゲインは通常100以上ですが、堅牢な回路設計では正確な値に依存しません（たとえば、オペアンプを参照）。DC信号に対するこのゲインの値は と呼ばれ、小信号に対するこのゲインの値は と呼ばれます。つまり、電流に小さな変化が生じ、新しい状態が定常状態に達するのに十分な時間が経過した場合、はコレクタ電流の変化とベース電流の変化の比です。記号はと の両方に使用されます。^{[3] ：62–66}${\displaystyle h_{\text{FE}}}$${\displaystyle h_{\text{fe}}}$${\displaystyle h_{\text{fe}}}$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle h_{\text{FE}}}$${\displaystyle h_{\text{fe}}}$

エミッタ電流は指数関数的に関係しています。室温では、が約 60 mV 増加すると、エミッタ電流は 10 倍に増加します。ベース電流はコレクタ電流とエミッタ電流にほぼ比例するため、同じように変化します。 ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$${\displaystyle V_{\text{BE}}}$

バイポーラ点接触トランジスタは、1947年12月^[11]にベル電話研究所でウィリアム・ショックレーの指導の下、ジョン・バーディーンおよびウォルター・ブラッテンによって発明されました。1948年にショックレーによって発明されたバイポーラ接合トランジスタ（BJT）として知られる接合バージョン^[12]は、 30年にわたってディスクリート回路および集積回路の設計で好んで使われていました。今日では、デジタル集積回路の設計ではCMOS技術が好まれるようになり、BJTの使用は減少しています。しかし、CMOS ICに固有の付随的な低性能BJTは、バンドギャップ電圧リファレンス、シリコンバンドギャップ温度センサー、および静電放電の処理によく使用されます。

ゲルマニウム トランジスタは 1950 年代と 1960 年代に一般的でしたが、熱暴走を起こす傾向が強くなりました。ゲルマニウム pn 接合はシリコンよりも順方向バイアスが低いため、ゲルマニウム トランジスタはより低い電圧でオンになります。

バイポーラトランジスタを製造するための様々な方法が開発された。^[13]

• ポイントコンタクトトランジスタ - 史上初めて作られたトランジスタ（1947 年 12 月）、バイポーラトランジスタ、高コストとノイズのため商業的利用は限られていた。
  • 四極点接触トランジスタ- 2 つのエミッタを持つ点接触トランジスタ。1950 年代半ばに廃止されました。
• 接合トランジスタ
  • 成長接合トランジスタ – 最初に作られたバイポーラ接合トランジスタ。^[14] 1948年6月23日にベル研究所のウィリアム・ショックレーによって発明されました。 ^[15] 1948年6月26日に特許が申請されました。
  • 合金接合トランジスタ - エミッタとコレクタの合金ビーズをベースに融合したもの。 1951年にゼネラルエレクトリックとRCA ^[16]で開発されました。
    • マイクロアロイトランジスタ（MAT ） - 高速タイプの合金接合トランジスタ。Philcoで開発されました。^[17]
    • マイクロアロイ拡散トランジスタ(MADT) -拡散ベーストランジスタMAT よりも高速な高速タイプのアロイ接合トランジスタ。Philco で開発されました。
    • ポストアロイ拡散トランジスタ( PADT ) - 拡散ベーストランジスタ MAT よりも高速な、高速タイプのアロイ接合トランジスタ。Philips で開発されました。
  • 四極管トランジスタ– 成長接合トランジスタ^[18]または合金接合トランジスタ^[19] の高速版で、ベースに2つの接続があります。
  • 表面バリアトランジスタ - 高速金属バリア接合トランジスタ。1953年にフィルコ社^{[20]で開発された。[21]}
  • ドリフトフィールドトランジスタ - 高速バイポーラ接合トランジスタ。1953年にドイツ郵政公社の中央電気通信技術局のヘルベルト・クローマー^{[22] [23]によって発明された。}
  • Spacistor  – 1957 年頃。
  • 拡散トランジスタ - 現代型のバイポーラ接合トランジスタ。プロトタイプ^[24]は1954年にベル研究所で開発されました。
    • 拡散ベース トランジスタ – 拡散トランジスタの最初の実装。
    • メサトランジスタ – 1957 年にテキサスインスツルメンツ社で開発されました。
    • プレーナトランジスタ – 大量生産可能なモノリシック集積回路を可能にしたバイポーラ接合トランジスタ。 1959年にフェアチャイルドのJean Hoerni ^[25]によって開発されました。
  • エピタキシャルトランジスタ^[26]  – 気相堆積法を用いて作製されたバイポーラ接合トランジスタ。エピタキシーを参照。ドーピングレベルと勾配を非常に正確に制御できる。

BJT は、少数キャリアが移動できる共通領域を共有する 2 つのダイオード (p-n 接合) と考えることができます。PNP BJT は、N 型カソード領域を共有する 2 つのダイオードのように機能し、NPN は P 型アノード領域を共有する 2 つのダイオードのように機能します。2 つのダイオードをワイヤで接続しても BJT にはなりません。少数キャリアはワイヤを介して 1 つの p-n 接合から別の p-n 接合に移動できないためです。

どちらのタイプの BJT も、ベースへの小さな電流入力によってコレクターからの増幅出力を制御することで機能します。その結果、BJT はベース入力によって制御される優れたスイッチになります。また、BJT は弱い入力信号を元の強度の約 100 倍に増幅できるため、優れた増幅器にもなります。BJT のネットワークは、さまざまな用途で強力な増幅器を作成するために使用されます。

以下の説明では、NPN BJT に焦点を当てます。アクティブ モードと呼ばれるモードでは、ベース - エミッタ電圧とコレクタ - ベース電圧は正であり、エミッタ - ベース接合を順方向にバイアスし、コレクタ - ベース接合を逆方向にバイアスします。このモードでは、順方向にバイアスされた n 型エミッタ領域から p 型ベースに電子が注入され、そこで少数キャリアとして逆方向にバイアスされた n 型コレクタに拡散し、逆方向にバイアスされたコレクタ - ベース接合の電界によって押し流されます。 ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$${\displaystyle V_{\text{CB}}}$

順方向バイアスと逆方向バイアスの図解については、半導体ダイオードを参照してください。

1954年、ジュエル・ジェームズ・エバースとジョン・L・モールはトランジスタ電流の数学的モデルを発表しました。^[27]

アクティブモードでの DC エミッタ電流とコレクタ電流は、Ebers-Moll モデルの近似によって適切にモデル化されます。

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{\text{E}}&=I_{\text{ES}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\\I_{\text{C}}&=\alpha _{\text{F}}I_{\text{E}}\\I_{\text{B}}&=\left(1-\alpha _{\text{F}}\right)I_{\text{E}}\end{aligned}}}$

基本的な内部電流は主に拡散によって生じ（フィックの法則を参照）、

${\displaystyle J_{n\,({\text{base}})}={\frac {1}{W}}qD_{n}n_{bo}e^{\frac {V_{\text{EB}}}{V_{\text{T}}}}}$

どこ

• ${\displaystyle V_{\text{T}}}$熱電圧 （300 K ≈ 室温で約 26 mV）です。${\displaystyle kT/q}$
• ${\displaystyle I_{\text{E}}}$エミッタ電流
• ${\displaystyle I_{\text{C}}}$コレクタ電流
• ${\displaystyle \alpha _{\text{F}}}$共通ベース順方向短絡電流利得（0.98～0.998）
• ${\displaystyle I_{\text{ES}}}$^{はベース・エミッタダイオードの逆飽和電流（10 −15}～ 10 ⁻¹²アンペア程度）
• ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$ベース・エミッタ電圧
• ${\displaystyle D_{n}}$p型ベースにおける電子の拡散定数である。
• Wは底辺の幅です

および順方向パラメータは前述のとおりです。逆方向パラメータがモデルに含まれる場合もあります。 ${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle \beta }$

任意の動作領域における3つの電流を記述するために使用される近似されていないエバース-モル方程式を以下に示します。これらの方程式は、バイポーラ接合トランジスタの輸送モデルに基づいています。^[29]

${\displaystyle {\begin{aligned}i_{\text{C}}&=I_{\text{S}}\left[\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)-{\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\\i_{\text{B}}&=I_{\text{S}}\left[{\frac {1}{\beta _{\text{F}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)+{\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\\i_{\text{E}}&=I_{\text{S}}\left[\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)+{\frac {1}{\beta _{\text{F}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\end{aligned}}}$

どこ

• ${\displaystyle i_{\text{C}}}$コレクタ電流
• ${\displaystyle i_{\text{B}}}$ベース電流
• ${\displaystyle i_{\text{E}}}$エミッタ電流
• ${\displaystyle \beta _{\text{F}}}$順方向共通エミッタ電流利得（20～500）
• ${\displaystyle \beta _{\text{R}}}$逆共通エミッタ電流利得（0～20）
• ${\displaystyle I_{\text{S}}}$^{逆飽和電流（10 −15}～ 10 ⁻¹²アンペア程度）
• ${\displaystyle V_{\text{T}}}$熱電圧（300 K ≈ 室温で約 26 mV）です。
• ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$ベース・エミッタ電圧
• ${\displaystyle V_{\text{BC}}}$ベースコレクタ電圧

コレクタ・ベース間電圧 ( ) が変化すると、コレクタ・ベース空乏領域のサイズが変化します。たとえば、コレクタ・ベース間電圧が増加すると、コレクタ・ベース接合の逆バイアスが大きくなり、コレクタ・ベース空乏領域の幅が広がり、ベースの幅が減少します。このベース幅の変化は、発見者であるJames M. Earlyにちなんで、アーリー効果と呼ばれることがよくあります。 ${\displaystyle V_{\text{CB}}=V_{\text{CE}}-V_{\text{BE}}}$

ベース幅を狭くすると、次の 2 つの結果が生じます。

• 「より小さい」塩基領域内では、組み換えが起こる可能性が低くなります。
• ベース全体の電荷勾配が増加し、その結果、エミッタ接合全体に注入される少数キャリアの電流が増加します。

両方の要因により、コレクタ - ベース電圧の増加に応じて、トランジスタのコレクタまたは「出力」電流が増加します。

ベース-コレクタ電圧が特定の値（デバイス固有の値）に達すると、ベース-コレクタ空乏領域境界がベース-エミッタ空乏領域境界と交わります。この状態では、トランジスタには実質的にベースがありません。したがって、この状態ではデバイスはすべてのゲインを失います。

ガンメル・プーンモデル^[30]は、BJTダイナミクスの詳細な電荷制御モデルであり、ターミナルベースのモデルよりも詳細にトランジスタダイナミクスを説明するために他の人によって採用され、詳細化されています。^[31]このモデルには、トランジスタの直流レベルに対するトランジスタ値の依存性も含まれていますが、これはエバース・モルモデルでは電流に依存しないと想定されています。^[32]${\displaystyle \beta }$

ハイブリッドπモデルは、バイポーラ接合トランジスタと電界効果トランジスタの小信号およびAC動作を解析するために使用される一般的な回路モデルです。 1969年にLJ Giacolettoによって導入されたため、Giacolettoモデルと呼ばれることもあります。このモデルは低周波回路に対して非常に正確であり、適切な電極間容量やその他の寄生要素を追加することで、高周波回路に簡単に適応できます。

BJT 回路の解析によく使用されるもう 1 つのモデルは、ハイブリッド等価モデルとも呼ばれるh パラメータモデルです。これはハイブリッド π モデルやy パラメータ 2 ポート モデルと密接に関連していますが、入力電圧と出力電圧ではなく、入力電流と出力電圧を独立変数として使用します。この 2 ポート ネットワークは、回路の動作の解析が容易で、さらに正確なモデルの開発に使用できるため、BJT に特に適しています。図に示すように、モデル内の項x は、使用するトポロジに応じて異なる BJT リードを表します。共通エミッタ モードの場合、さまざまなシンボルは次のような特定の値を取ります。

• ターミナル1、ベース
• ターミナル2、コレクター
• 端子3（共通）、エミッタ；xをeとする
• i _i、ベース電流（i _b）
• i _o、コレクタ電流（i _c）
• V _in、ベース・エミッタ間電圧（V _BE）
• V _o、コレクタ・エミッタ間電圧（V _CE）

hパラメータは次のように与えられます。

• h _ix = h _ie（共通エミッタ構成の場合）、トランジスタの入力インピーダンス（ベース抵抗r pi_に対応）。
• h _rx = h _{re は}逆伝達関係であり、トランジスタの（入力）I _B – V _{BE曲線が（出力）} V _CEの値に依存することを表します。通常、この値は非常に小さく、DC では無視される（ゼロとみなされる）ことがよくあります。
• h _fx = h _fe、トランジスタの「順方向」電流利得。h ₂₁と表記されることもあります。このパラメータは、小文字の「fe」が小信号 (AC) 利得を意味し、大文字の「FE」( h _{FEと指定) が「大信号」または DC 電流利得 (} β _DCまたは単にβと表記されることが多い)を意味し、データシートの主要なパラメータの 1 つであり、一般的なコレクタ電流と電圧で示されるか、コレクタ電流の関数としてプロットされます。以下を参照してください。
• h _ox = 1/ h _oe、トランジスタの出力インピーダンス。パラメータh _{oe は}通常、バイポーラトランジスタの出力アドミタンスに対応し、インピーダンスに変換するには反転する必要があります。

示されているように、h パラメータには小文字の添え字が付いており、AC 条件または解析を表します。DC 条件の場合は大文字で指定します。CE トポロジでは、回路解析をさらに簡素化する近似 h パラメータ モデルが一般的に使用されます。このため、h _oeパラメータとh _reパラメータは無視されます (つまり、それぞれ無限大とゼロに設定されます)。示されている h パラメータ モデルは、低周波、小信号解析に適しています。高周波解析では、高周波で重要となる電極間容量を追加する必要があります。

hは、それが h パラメータであることを意味します。これは、ハイブリッド等価回路モデル (上記参照) に由来する名前が付けられたパラメータのセットです。すべての h パラメータと同様に、"h" に続く文字を小文字にするか大文字にするかは重要です。小文字は "小信号" パラメータ、つまり特定の関係の傾きを表します。大文字は "大信号" またはDC値、つまり電圧または電流の比率を表します。非常によく使用されるh _FEの場合:

• Fは、順方向電流増幅率、つまり電流ゲインとも呼ばれるFから来ています。
• E は共通Eエミッタ(CE) 構成で動作するトランジスタを指します。

したがって、h _FE (または hFE) は、(合計、DC) コレクタ電流をベース電流で割った値を指し、無次元です。これはコレクタ電流によって多少変化するパラメータですが、定数として近似されることが多く、通常は典型的なコレクタ電流と電圧で指定されるか、コレクタ電流の関数としてグラフ化されます。

下付き文字に大文字が使用されていない場合、つまりh _{fe と}書かれていた場合、そのパラメータは小信号 ( AC ) 電流利得、つまり特定のポイントにおけるコレクタ電流対ベース電流グラフの傾きを示し、テスト周波数が高くない限り、hFE 値に近くなることがよくあります。

Gummel-Poon SPICEモデルはよく使われますが、いくつかの制限があります。たとえば、ベースエミッタダイオードの逆ブレークダウンはSGP（SPICE Gummel-Poon）モデルでは捉えられませんし、熱効果（自己発熱）や準飽和も捉えられません。^[33]これらの問題は、特定のアプリケーションケースに焦点を当てた（Mextram、HICUM、Modella）か、汎用的に使用できるように設計された（VBIC）さまざまなより高度なモデルで対処されています。^{[34] [35] [36] [37]}

BJT は、利用可能な BJT タイプの選択肢が非常に広く、 MOSFETに比べてトランスコンダクタンスと出力抵抗が高いため、ディスクリート回路設計などの一部のアプリケーションでは優れたデバイスです。

BJT は、要求の厳しいアナログ回路、特にワイヤレス システム用の無線周波数回路などの超高周波アプリケーションにも最適です。

エミッタ結合ロジック(ECL) は BJT を使用します。

バイポーラ トランジスタは、ウェハ製造の BiCMOS プロセスを使用して集積回路内の MOSFET と組み合わせることができ、両方のタイプのトランジスタのアプリケーションの長所を活用した回路を作成できます。

トランジスタパラメータ α と β は、 BJT の電流ゲインを特徴付けます。このゲインにより、BJT を電子アンプの構成要素として使用できます。主な BJT アンプのトポロジは次の 3 つです。

• 共通エミッタ
• 共通基盤
• 共通コレクタ

順方向バイアスされたベース-エミッタ接合電圧の温度と電流への依存性が既知であるため、BJTは2つの異なるバイアス電流での2つの電圧を既知の比率で減算することで温度を測定するために使用できます。^[38]

ベース-エミッタ電圧はベース-エミッタ電流とコレクタ-エミッタ電流の対数として変化するため、BJT は対数と逆対数の計算にも使用できます。ダイオードもこれらの非線形機能を実行できますが、トランジスタの方が回路の柔軟性が高くなります。

トランジスタは、コレクタからエミッタへのブレークダウン電圧がコレクタからベースへのブレークダウン電圧よりも低いように意図的に作られることがあります。エミッタとベースの接合が逆バイアスされている場合、コレクタのエミッタ電圧はブレークダウン電圧よりわずかに低い電圧に維持されることがあります。ベース電圧が上昇し、電流が流れるとすぐに雪崩が発生し、コレクタのベース空乏領域での衝撃イオン化により、ベースが急速にキャリアで満たされ、トランジスタが完全にオンになります。パルスが十分に短く、デバイスが損傷しない程度に頻度が低い限り、この効果を使用して非常に鋭い立ち下がりエッジを作成できます。

このアプリケーション用に 特別なアバランシェ トランジスタデバイスが作られています。

トランジスタが電離放射線にさらされると、放射線による損傷が発生します。放射線により、再結合中心として機能する「欠陥」がベース領域に蓄積されます。その結果、少数キャリアの寿命が短くなり、トランジスタのゲインが徐々に低下します。

トランジスタには「最大定格」があり、これには電力定格（基本的に自己発熱によって制限されます）、最大コレクタ電流とベース電流（連続/DC 定格とピークの両方）、およびブレークダウン電圧定格が含まれます。この定格を超えると、デバイスが故障するか、少なくともパフォーマンスが低下する可能性があります。

デバイスの通常のブレークダウン定格に加えて、パワー BJT は二次ブレークダウンと呼ばれる故障モードの影響を受けます。二次ブレークダウンでは、シリコン ダイ内の過度の電流と通常の欠陥により、デバイス内のシリコンの一部が他の部分よりも不釣り合いに高温になります。他の半導体と同様に、ドープ シリコンの電気抵抗率は負の温度係数を持ちます。つまり、温度が高いほど多くの電流が伝導します。したがって、ダイの最も高温の部分が最大の電流を伝導してその伝導率が増加し、その結果、デバイスが内部で故障するまで、その部分が徐々に再び高温になります。二次ブレークダウンに関連する熱暴走プロセスは、一度引き起こされるとほぼ瞬時に発生し、トランジスタ パッケージに壊滅的な損傷を与える可能性があります。

エミッタベース接合が逆バイアスされてアバランシェモードまたはツェナーモードになり、短時間電荷が流れると、エミッタがコレクタよりも小さく、大きな電力を消費できないため、BJT の電流ゲインが永久的に低下する可能性があります。これは、低電圧デバイスで よく見られるESD障害のメカニズムです。

• バイポーラトランジスタのバイアス
• ガンメルプロット
• 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
• マルチエミッタトランジスタ

• ウィキメディア・コモンズのバイポーラ接合トランジスタに関連するメディア