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トランジスタは、電気信号や電力を増幅またはスイッチングするために使用される半導体デバイスです。これは、現代の電子機器の基本的な構成要素の1つです。[ 1 ]トランジスタは半導体材料で構成されており、通常は電子回路に接続するための少なくとも3つの端子があります。トランジスタの端子の1組に印加される電圧または電流によって、別の端子の1組を流れる電流が制御されます。制御される（出力）電力は、制御される（入力）電力よりも高くなる可能性があるため、トランジスタは信号を増幅できます。一部のトランジスタは個別にパッケージ化されていますが、より多くの小型のトランジスタは集積回路に組み込まれています。トランジスタは、事実上すべての現代の電子機器における主要なアクティブコンポーネントであるため、20世紀の最も偉大な発明の1つと考えられています。[ 2 ]
物理学者のジュリアス・エドガー・リリエンフェルドは1925年に電界効果トランジスタ（FET）の概念を提唱したが[ 3 ] 、当時は動作するデバイスを構築することは不可能だった[ 4 ] 。最初の動作するデバイスは、1947年にベル研究所の物理学者ジョン・バーディーン、ウォルター・ブラッテン、ウィリアム・ショックレーによって発明された点接触トランジスタであり、彼らはその功績により1956年のノーベル物理学賞を共同受賞した[ 5 ] 。最も広く使用されているタイプのトランジスタである金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）は、1955年から1960年の間にベル研究所で発明された[ 6 ] [ 7][8][9][10 ] [ 11 ] 。トランジスタは電子工学の分野に革命をもたらし、より小型で安価なラジオ、電卓、コンピュータ、その他の電子機器への道を開いた。
ほとんどのトランジスタは非常に純度の高いシリコンで作られており、一部はゲルマニウムで作られていますが、他の半導体材料が使用されることもあります。電界効果トランジスタでは電荷キャリアが1種類しかない場合もあれば、バイポーラ接合トランジスタでは2種類の電荷キャリアを持つ場合もあります。真空管と比較すると、トランジスタは一般的に小型で、動作に必要な電力も少なくて済みます。進行波管やジャイロトロンなど、非常に高い動作周波数や高い動作電圧では、真空管がトランジスタよりも優れている場合もあります。多くの種類のトランジスタは、複数のメーカーによって標準化された仕様に基づいて製造されています。
1907年に発明された真空管である熱電子三極管は、増幅無線技術と長距離電話を可能にした。しかし、三極管は壊れやすく、かなりの電力を消費するデバイスであった。1909年、物理学者のウィリアム・エクルズは水晶ダイオード発振器を発見した。[ 12 ]物理学者のジュリアス・エドガー・リリエンフェルドは、三極管の固体代替品として、 1925年にカナダで電界効果トランジスタ（FET）の特許を出願した。 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]彼は1926年[ 16 ]と1928年[ 17 ] [ 18 ]に米国で同じ特許を出願した。しかし、彼は自身のデバイスに関する研究論文を発表しておらず、特許にも動作するプロトタイプの具体的な例が記載されていなかった。高品質の半導体材料の製造はまだ数十年先のことだったため、リリエンフェルトの固体増幅器のアイデアは、たとえそのような装置が作られたとしても、1920年代や1930年代には実用化されなかっただろう。[ 19 ] 1934年、発明家のオスカー・ハイルはヨーロッパで同様の装置の特許を取得した。[ 20 ]
1947年11月17日から12月23日にかけて、ニュージャージー州マレーヒルのAT&Tベル研究所のジョン・バーディーンとウォルター・ブラッテンが実験を行い、ゲルマニウム結晶に2つの金の点接点を当てると、入力よりも出力電力が大きい信号が生成されることを確認した。[ 21 ]固体物理グループのリーダーであるウィリアム・ショックレーはこの可能性に気づき、その後数ヶ月かけて半導体の知識を大幅に拡大することに取り組んだ。トランジスタという用語は、トランスレジスタンスという用語を短縮したジョン・R・ピアースによって造語された。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]リリアン・ホデソンとヴィッキー・ダイッチによると、ショックレーはベル研究所のトランジスタに関する最初の特許は電界効果に基づくべきであり、発明者として自分の名前を記載すべきだと提案した。ベル研究所の弁護士たちは、何年も前に埋もれていたリリエンフェルドの特許を発掘し、電界をグリッドとして使用する電界効果トランジスタのアイデアは新しいものではないとして、ショックレーの提案に反対した。その代わりに、バーディーン、ブラッテン、ショックレーが1947年に発明したのは、最初の点接触トランジスタであった。[ 19 ]この功績を認め、ショックレー、バーディーン、ブラッテンは「半導体の研究とトランジスタ効果の発見」により、 1956年のノーベル物理学賞を共同受賞した。 [ 25 ] [ 26 ]
ショックレーのチームは当初、半導体の導電率を変調することで電界効果トランジスタ（FET）を構築しようと試みたが、表面状態、ダングリングボンド、ゲルマニウムと銅の化合物材料の問題により、主に失敗に終わった。この失敗の背後にある謎めいた理由を理解しようとした結果、彼らは代わりにバイポーラ点接触トランジスタと接合トランジスタを発明するに至った。[ 27 ] [ 28 ]
1948年、点接触トランジスタは、ウェスティングハウスの子会社であるパリのCompagnie des Freins et Signaux Westinghouseで働いていた物理学者ヘルベルト・マタレとハインリヒ・ウェルカーによって独立に発明されました。マタレは、第二次世界大戦中のドイツのレーダー開発において、シリコンとゲルマニウムから結晶検出器を開発した経験がありました。この知識を基に、彼は1947年に干渉現象の研究を開始しました。1948年6月までに、点接触に電流が流れるのを目撃した彼は、ウェルカーが作成したゲルマニウムのサンプルを使用して、1947年12月にバーディーンとブラッテンが達成したのと同様の一貫した結果を得ました。ベル研究所の科学者がすでにトランジスタを発明していたことに気づいた同社は、フランスの電話網での増幅用途のためにトランジスタロンの生産を急ぎ、1948年8月13日に最初のトランジスタ特許を出願しました。[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]
最初のバイポーラ接合トランジスタは、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、彼は1948年6月26日に特許（2,569,347）を申請しました。1950年4月12日、ベル研究所の化学者ゴードン・ティールとモーガン・スパークスは、動作するバイポーラNPN接合増幅ゲルマニウムトランジスタの製造に成功しました。ベル研究所は、1951年7月4日のプレスリリースでこの新しいサンドイッチトランジスタの発見を発表しました。[ 32 ] [ 33 ]
最初の高周波トランジスタは、 1953年にフィルコ社が開発した表面障壁型ゲルマニウムトランジスタで、最大60MHzの周波数で動作可能でした。[ 34 ]これは、n型ゲルマニウム基板の両側から硫酸インジウム(III)のジェットで数万分の1インチの厚さになるまで凹みをエッチングすることによって作られました。凹みに電気めっきされたインジウムがコレクタとエミッタを形成しました。[ 35 ] [ 36 ]
AT&Tは 1953年に、トランスレータカードにエンコードされたルーティング情報から幹線回線を選択するために、No.4Aトールクロスバー交換システムで初めて通信機器にトランジスタを使用しました。[ 37 ]その前身であるウェスタンエレクトリックNo.3A フォトトランジスタは、パンチされた金属カードから機械的なエンコードを読み取りました。
最初のプロトタイプのポケットトランジスタラジオは、 1952 年にHerbert Mataréが設立した会社 INTERMETALL によって、 1953 年 8 月 29 日から 9 月 6 日にかけてデュッセルドルフ国際無線展示会で展示されました。 [ 38 ] [ 39 ]最初の量産型ポケットトランジスタラジオはRegency TR-1で、1954 年 10 月に発売されました。[ 26 ] TR-1は、Industrial Development Engineering Associates (IDEA) の Regency 部門とテキサス州ダラスのTexas Instrumentsの合弁事業として製造され、インディアナ州インディアナポリスで製造されました。ポケットサイズのラジオで、トランジスタ 4 個とゲルマニウムダイオード 1 個を搭載していました。工業デザインは、シカゴの Painter, Teague and Petertil 社に委託されました。当初は、黒、アイボリー、マンダリンレッド、クラウドグレー、マホガニー、オリーブグリーンの 6 色で発売されました。他の色もすぐに続きました。[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]
初の量産型オールトランジスタカーラジオはクライスラー社とフィルコ社によって開発され、1955年4月28日付けのウォール・ストリート・ジャーナル紙で発表された。クライスラーは、1955年秋から、1956年モデルのクライスラーとインペリアルの新ラインナップのオプションとしてMoparモデル914HRを提供し、1955年10月21日にディーラーのショールームに並んだ。[ 43 ] [ 44 ]
1957年に発売されたソニーのTR-63は、量産された最初のトランジスタラジオであり、トランジスタラジオの普及につながった。[ 45 ] 1960年代半ばまでに、TR-63は世界中で700万台販売された。[ 46 ]ソニーのトランジスタラジオの成功により、1950年代後半にはトランジスタが真空管に代わって主要な電子技術となった。[ 47 ]
最初の実用的なシリコントランジスタは、1954年1月26日にベル研究所でモリス・タネンバウムによって開発されました。最初の量産型商用シリコントランジスタは、1954年5月にテキサス・インスツルメンツによって発表されました。これは、高純度結晶の成長の専門家であり、以前ベル研究所で働いていたゴードン・ティールの功績です。[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]
電界効果トランジスタ（FET）の基本原理は、物理学者ジュリアス・エドガー・リリエンフェルドが1926年にMESFETに類似したデバイス、そして1928年に絶縁ゲート電界効果トランジスタの特許を出願した際に初めて提案されました。 [ 15 ] [ 51 ] FETの概念はその後、 1930年代にエンジニアのオスカー・ハイル、 1940年代にウィリアム・ショックレーによっても理論化されました。
1945年、JFETはハインリッヒ・ウェルカーによって特許取得された。[ 52 ] 1952年のショックレーによるJFETの理論的考察に続き、1953年にジョージ・C・デイシーとイアン・M・ロスによって実用的なJFETが作られた。[ 53 ]
1948年、バーディーンとブラッテンはベル研究所でMOSFETの原型となる反転層付き絶縁ゲートFET（IGFET）の特許を取得した。バーディーンの特許と反転層の概念は、今日のCMOSおよびDRAM技術の基礎となっている。[ 54 ]
半導体産業の初期には、企業は接合型トランジスタに注力していましたが、これは比較的かさばるデバイスで大量生産が難しく、いくつかの特殊な用途に限られていました。電界効果トランジスタ（FET）は潜在的な代替品として理論的に考えられていましたが、外部電界が材料に浸透するのを妨げる表面状態の障壁が主な原因で、研究者たちはFETを適切に動作させることができませんでした。[ 55 ]
1955年、カール・フロッシュとリンカーン・デリックは偶然にもシリコンウェーハ上に二酸化ケイ素の層を成長させ、その表面パッシベーション効果を観察した。[ 6 ] [ 56 ] 1957年までに、フロッシュとデリックはマスキングと事前堆積を用いて二酸化ケイ素電界効果トランジスタを製造することができた。これはドレインとソースが同じ表面に隣接している最初のプレーナ型トランジスタであった。[ 7 ]彼らは二酸化ケイ素がシリコンウェーハを絶縁および保護し、ドーパントがウェーハに拡散するのを防ぐことを示した。[ 6 ] [ 7 ]その後、J. R. リゲンツァとW. G. スピッツァーは熱成長酸化物のメカニズムを研究し、高品質のSi/ SiO2スタックを製造し、1960年にその結果を発表した。[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]
この研究に続いて、Mohamed AtallaとDawon Kahng は1959 年にシリコン MOS トランジスタを提案し[ 60 ]、1960 年にベル研究所のチームで動作する MOS デバイスの実証に成功しました[ 61 ] [ 62 ]。彼らのチームには、デバイスを製造したE. E. LaBate と E. I. Povilonis、拡散プロセスを開発したM. O. Thurston、L. A. D'Asaro、J. R. Ligenza、デバイスの特性評価を行ったH. K. Gummel と R. Lindner が含まれていました[ 8 ] [ 9 ] 。高いスケーラビリティ[ 63 ]、バイポーラ接合トランジスタよりも消費電力がはるかに低いこと、高密度であること[ 64 ]により、MOSFET は高密度集積回路の構築を可能にし[ 65 ]、1 つの IC に 10,000 個以上のトランジスタを統合することが可能になりました[ 66 ] 。
バーディーンとブラッテンによる1948年の反転層の概念は、今日のCMOS技術の基礎を形成している。[ 67 ] CMOS （相補型MOS ）は、 1963年にフェアチャイルド・セミコンダクターのチータン・サとフランク・ワンラスによって発明された。[ 68 ]フローティングゲートMOSFETの最初の報告は、1967年にダウォン・カンとサイモン・シーによって行われた。 [ 69 ]
1967年、ベル研究所の研究者であるロバート・カーウィン、ドナルド・クライン、ジョン・サラスが自己整合ゲート（シリコンゲート）MOSトランジスタを開発し、フェアチャイルド・セミコンダクターの研究者であるフェデリコ・ファギンとトム・クラインがこれを用いて最初のシリコンゲートMOS集積回路を開発した。[ 70 ]
ダブルゲートMOSFETは、1984年に電気技術研究所の研究者である関川敏弘と林豊によって初めて実証されました。 [ 71 ] [ 72 ] 3D非平面マルチゲートMOSFETの一種であるFinFET（フィン型電界効果トランジスタ）は、1989年に日立中央研究所の久本達夫とそのチームの研究から生まれました。[ 73 ] [ 74 ]
トランジスタは現代の電子機器のほぼすべてにおいて重要なアクティブコンポーネントであるため、多くの人々はトランジスタを20世紀の最も偉大な発明の1つと考えています。[ 2 ]
1947年にベル研究所で最初のトランジスタが発明されたことは、2009年にIEEEマイルストーンに選ばれた。 [ 75 ]その他のマイルストーンには、1948年の接合型トランジスタの発明と1959年のMOSFETの発明が含まれる。 [ 76 ]
MOSFETは、コンピュータや電子機器[ 77 ]からスマートフォンなどの通信技術[ 78 ]まで、幅広い用途で最も広く使用されているトランジスタです。これは最も重要なトランジスタ[ 79 ] 、おそらく電子機器における最も重要な発明[ 80 ]、そして現代の電子機器を可能にしたデバイス[81]と考えられてきました。20世紀後半から現代のデジタル電子機器の基盤となっており、デジタル時代の道を切り開いてきました[ 82 ]。米国特許商標庁は、これを「世界中の生活と文化を変革した画期的な発明」と呼んでいます[ 78 ] 。比較的基本的な材料から高度に自動化されたプロセス（半導体デバイス製造）で大量生産できるため、トランジスタあたりのコストが驚くほど低くなっています。MOSFETは、歴史上最も多く生産された人工物であり、2018年までに13垓個以上が製造されました[ 83 ]。
複数の企業がそれぞれ毎年10億個以上の個別にパッケージ化された（ディスクリートと呼ばれる）MOSトランジスタを生産しているが、 [ 84 ]大部分は集積回路（ IC、マイクロチップ、または単にチップとも呼ばれる）で生産され、ダイオード、抵抗器、コンデンサ、その他の電子部品とともに完全な電子回路を構成している。論理ゲートは最大で約20個のトランジスタで構成されているが、高度なマイクロプロセッサは、2023年現在、1つのダイには最大920億個のトランジスタが含まれる場合があり、デュアルダイの場合はその2倍の1840億個になります（2020年時点では、特別なチップでは2.6兆個のトランジスタ）。[ 85 ]トランジスタは、マイクロプロセッサで演算を実行するために論理ゲートに編成されることがよくあります。[ 86 ]
トランジスタは低コスト、柔軟性、信頼性の高さから、広く普及している。トランジスタを用いたメカトロニクス回路は、家電製品や機械の制御において、従来の電気機械装置に取って代わった。同等の機械システムを設計するよりも、標準的なマイクロコントローラを用いて制御機能を実行するコンピュータプログラムを作成する方が、多くの場合、簡単で安価である。
トランジスタは、一方の端子間に印加された小さな信号を使用して、もう一方の端子間のより大きな信号を制御できます。この特性はゲインと呼ばれます。弱い入力信号に比例した、より強い出力信号（電圧または電流）を生成することができ、増幅器として機能します。また、電流の量が他の回路要素によって決定される電気的に制御されるスイッチとしても使用できます。 [ 87 ]
トランジスタには2種類あり、それぞれ使用方法に若干の違いがあります。
このセクションの一番上の図は、回路内の典型的なバイポーラトランジスタを表しています。エミッタ端子とコレクタ端子の間には、ベースに流れる電流に応じて電荷が流れます。ベースとエミッタの接続は半導体ダイオードのように動作するため、両者の間に電圧降下が生じます。この電圧降下の大きさはトランジスタの材料によって決まり、VBE（ベース・エミッタ間電圧）と呼ばれます。[ 88 ]
トランジスタは、スイッチング電源などの高電力アプリケーションと、論理ゲートなどの低電力アプリケーションの両方において、オン状態またはオフ状態のいずれかをとることができる電子スイッチとして、デジタル回路で一般的に使用されています。このアプリケーションにとって重要なパラメータには、スイッチングされる電流、処理される電圧、および立ち上がり時間と立ち下がり時間によって特徴付けられるスイッチング速度が含まれます。[ 88 ]
スイッチング回路では、オフ時には開回路、オン時には短絡回路の特性を持ち、2つの状態間で瞬時に遷移する理想的なスイッチを可能な限り忠実にシミュレートすることが目標です。パラメータは、オフ出力が接続回路に影響を与えないほど小さな漏れ電流に制限され、オン状態のトランジスタの抵抗が回路に影響を与えないほど小さく、2つの状態間の遷移が悪影響を及ぼさないほど十分に速いように選択されます。[ 88 ]
図に示すライトスイッチ回路のような接地エミッタトランジスタ回路では、ベース電圧が上昇すると、エミッタ電流とコレクタ電流は指数関数的に増加します。コレクタ電圧は、コレクタからエミッタへの抵抗が減少するため低下します。コレクタとエミッタ間の電圧差がゼロ（またはゼロに近い）場合、コレクタ電流は負荷抵抗（電球）と電源電圧によってのみ制限されます。これは、電流がコレクタからエミッタへ自由に流れるため、飽和と呼ばれます。飽和状態にあるとき、スイッチはオンになっていると言われます。[ 89 ]
スイッチング用途にバイポーラトランジスタを使用するには、トランジスタがオフ状態のカットオフ領域と飽和領域（オン）の間で動作するようにバイアスをかける必要があります。これには十分なベース駆動電流が必要です。トランジスタは電流利得を提供するので、ベース端子へのはるかに小さな電流によってコレクタの比較的大きな電流をスイッチングすることが容易になります。これらの電流の比率はトランジスタの種類によって異なり、特定の種類の場合でもコレクタ電流によって変化します。図に示すライトスイッチ回路の例では、トランジスタが飽和状態になるように十分なベース電流を供給するように抵抗が選択されます。[ 88 ]ベース抵抗の値は、電源電圧、トランジスタのCE接合電圧降下、コレクタ電流、および増幅率ベータから計算されます。[ 90 ]
共通エミッタ増幅器は、電圧（V in）のわずかな変化がトランジスタのベースを流れる小さな電流を変化させるように設計されており、その電流増幅と回路の特性により、V inの小さな変動がV outの大きな変化を生み出します。[ 88 ]
単一トランジスタ増幅器には様々な構成が可能であり、電流利得を提供するもの、電圧利得を提供するもの、あるいはその両方を提供するものなどがある。
携帯電話からテレビまで、膨大な数の製品に、音声再生、無線送信、信号処理用の増幅器が搭載されています。最初のディスクリートトランジスタオーディオ増幅器はわずか数百ミリワットしか供給できませんでしたが、より優れたトランジスタが利用可能になり、増幅器のアーキテクチャが進化するにつれて、出力とオーディオの忠実度は徐々に向上しました。[ 88 ]
数百ワットまでの出力を持つ現代のトランジスタ式オーディオアンプは一般的で、比較的安価である。
トランジスタが開発される以前は、真空管（英国では熱電子管、あるいは単に真空管と呼ばれる）が電子機器の主要な能動部品であった。
トランジスタがほとんどの用途で真空管に取って代わることができた主な利点は以下のとおりです。
トランジスタには、以下のような制限がある場合があります。
トランジスタは以下のように分類されます
したがって、特定のトランジスタは、シリコン、表面実装、BJT、NPN、低電力、高周波スイッチなどと表現できます。
トランジスタの種類（電気記号で表される）を覚える便利な覚え方として、矢印の向きがあります。BJTの場合、n-p-nトランジスタの記号では、矢印は「Nを指しません」 。p -n-pトランジスタの記号では、矢印は「Nを誇り高く指します」 。ただし、MOSFETベースのトランジスタの記号にはこの覚え方は当てはまりません。MOSFETの場合、矢印は通常逆向きになります（つまり、n-p-nの矢印は内側を向きます）。
電界効果トランジスタ（FET）は、単極トランジスタとも呼ばれ、伝導に電子（nチャネルFETの場合）または正孔（pチャネルFETの場合）のいずれかを使用します。FETの4つの端子は、ソース、ゲート、ドレイン、ボディ（基板）と呼ばれます。ほとんどのFETでは、ボディはパッケージ内部でソースに接続されており、以下の説明ではそのように仮定します。
FETでは、ドレイン-ソース電流は、ソース領域とドレイン領域を接続する導電チャネルを介して流れます。導電率は、ゲート端子とソース端子の間に電圧が印加されたときに発生する電界によって変化するため、ドレインとソースの間を流れる電流は、ゲートとソースの間に印加される電圧によって制御されます。ゲート-ソース電圧（VGS）が増加すると、ドレイン-ソース電流（IDS ）は、しきい値以下のVGSでは指数関数的に増加し、しきい値以上の空間電荷制限領域では、ほぼ2乗の割合で増加します（IDS ∝（ VGS - VT ） 2 、ここでVTはドレイン電流が始まるしきい値電圧）[ 94 ]。2乗の挙動は、例えば65nmテクノロジーノードの最新のデバイスでは観察されません。 [ 95 ]
狭帯域幅で低ノイズを実現するには、FETの入力抵抗が高い方が有利である。
FETは、接合型FET（JFET）と絶縁ゲート型FET（IGFET）の2種類に分類されます。IGFETは、金属（ゲート）、酸化物（絶縁体）、半導体の層からなる構造を反映して、一般的には金属酸化物半導体FET（MOSFET ）として知られています。IGFETとは異なり、JFETのゲートはソースとドレインの間にあるチャネルとp-nダイオードを形成します。機能的には、これによりnチャネルJFETは、同様にグリッドとカソードの間にダイオードを形成する真空管三極管の固体版となります。また、どちらのデバイスも空乏モードで動作し、入力インピーダンスが高く、入力電圧の制御下で電流を流します。
金属半導体FET（MESFET）は、逆バイアスされたp-n接合を金属-半導体接合に置き換えたJFETです。これらは、電荷輸送に非常に高いキャリア移動度を持つ二次元電子ガスを使用するHEMT（高電子移動度トランジスタ、またはHFET）と同様に、非常に高い周波数（数GHz）での使用に特に適しています。
FETは、ゲート・ソース間電圧がゼロのときにチャネルがオンになるかオフになるかによって、デプレッションモードとエンハンスメントモードにさらに分類されます。エンハンスメントモードでは、ゼロバイアスでチャネルはオフになり、ゲート電位によって導通が促進されます。デプレッションモードでは、ゼロバイアスでチャネルはオンになり、ゲート電位（逆極性）によってチャネルが空乏化され、導通が減少します。どちらのモードでも、ゲート電圧が正になるほど、nチャネルデバイスでは電流が増加し、pチャネルデバイスでは電流が減少します。JFETのほぼすべてがデプレッションモードです。これは、エンハンスメントモードデバイスの場合、ダイオード接合が順方向バイアスされて導通してしまうためです。一方、IGFETのほとんどはエンハンスメントモードです。
金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET、MOS-FET、またはMOS FET）は、金属酸化物シリコントランジスタ（MOSトランジスタ、またはMOS）とも呼ばれ、[ 65 ]半導体（通常はシリコン）の制御された酸化によって製造される電界効果トランジスタの一種です。絶縁ゲートがあり、その電圧によってデバイスの導電率が決まります。印加電圧の量に応じて導電率を変化させるこの能力は、電子信号の増幅やスイッチングに使用できます。MOSFETは圧倒的に最も一般的なトランジスタであり、ほとんどの現代電子機器の基本構成要素です。[ 82 ] MOSFETは、世界中のすべてのトランジスタの99.9%を占めています。[ 96 ]
バイポーラトランジスタは、多数キャリアと少数キャリアの両方を使用して導通するため、そのように名付けられています。量産された最初のタイプのトランジスタであるバイポーラ接合トランジスタは、2つの接合ダイオードの組み合わせであり、2つのn型半導体の間に薄いp型半導体層を挟んだ構造（n-p-nトランジスタ）または、2つのp型半導体の間に薄いn型半導体層を挟んだ構造（ap-n-pトランジスタ）のいずれかで構成されています。この構造により、ベース-エミッタ接合とベース-コレクタ接合という2つのp- n接合が形成され、これらはベース領域と呼ばれる薄い半導体領域によって隔てられています。（介在する半導体領域を共有せずに2つの接合ダイオードを接続しても、トランジスタにはなりません。）
BJT には、エミッタ、ベース、コレクタの 3 つの半導体層に対応する 3 つの端子があります。エミッタとコレクタの電流は比較的小さなベース電流で制御できるため、増幅器で役立ちます。 [ 97 ]アクティブ領域で動作する n–p–n トランジスタでは、エミッタ-ベース接合は順方向バイアス (電子と正孔が接合で再結合) され、ベース-コレクタ接合は逆方向バイアス (電子と正孔が接合で生成され、接合から離れて移動) され、電子がベース領域に注入されます。ベースは狭いため、これらの電子のほとんどは逆方向バイアスされたベース-コレクタ接合に拡散し、コレクタに掃引されます。おそらく電子の 100 分の 1 がベースで再結合し、これがベース電流の支配的なメカニズムです。ベースは (エミッタ領域とコレクタ領域と比較して) 軽くドーピングされているため、再結合率は低く、より多くのキャリアがベース領域を横切って拡散することができます。ベースから出る電子の数を制御することで、コレクタに入る電子の数を制御できます。[ 97 ]コレクタ電流は、ベース電流の約β（共通エミッタ電流利得）倍です。小信号トランジスタでは通常100より大きいですが、高出力アプリケーション用に設計されたトランジスタでは小さくなることがあります。
電界効果トランジスタ（後述）とは異なり、BJTは入力インピーダンスの低いデバイスです。また、ショックレーダイオードモデルとエーバース・モルモデルによれば、ベース・エミッタ間電圧（VBE）が増加すると、ベース・エミッタ間電流、ひいてはコレクタ・エミッタ間電流（ICE）は指数関数的に増加します。この指数関数的な関係により、BJTはFETよりも高い相互コンダクタンスを持ちます。
バイポーラトランジスタは、ベース領域での光子の吸収によってベース電流として作用する光電流が発生するため、光を照射することで導通させることができます。コレクタ電流は光電流の約β倍です。この目的のために設計されたデバイスは、パッケージに透明な窓があり、フォトトランジスタと呼ばれます。
MOSFETは、デジタル回路とアナログ回路の両方で最も広く使用されているトランジスタであり、[ 98 ]世界のトランジスタ全体の99.9%を占めています。[ 96 ]バイポーラ接合トランジスタ（BJT）は、1950年代から1960年代にかけて最も一般的に使用されていたトランジスタでした。1970年代にMOSFETが広く利用可能になった後も、BJTは、その優れた線形性のため、アンプなどの多くのアナログ回路で引き続き好まれるトランジスタであり続けました。これは、1980年代にほとんどのパワーエレクトロニクス用途でMOSFETデバイス（パワーMOSFET、LDMOS、RF CMOSなど）がそれらに取って代わるまで続きました。集積回路では、MOSFETの望ましい特性により、1970年代にデジタル回路のほぼすべての市場シェアを獲得することができました。ディスクリートMOSFET（通常はパワーMOSFET）は、アナログ回路、電圧レギュレータ、アンプ、電力トランスミッタ、モータドライバなどのトランジスタ用途に適用できます。
トランジスタデバイスの識別には、主に3つの規格が用いられています。それぞれの規格において、英数字の接頭辞はデバイスの種類を示す手がかりとなります。
JEDEC部品番号体系は、 1960年代に米国で発展しました。JEDEC EIA-370トランジスタデバイス番号は通常2Nで始まり、3端子デバイスであることを示しています。[ 113 ]デュアルゲート電界効果トランジスタは4端子デバイスで、3Nで始まります。接頭辞の後には、デバイス特性とは関係のない2桁、3桁、または4桁の数字が続きますが、番号が小さい初期のデバイスはゲルマニウムデバイスである傾向があります。たとえば、2N3055はシリコンn-p-nパワートランジスタ、2N1301はap-n-pゲルマニウムスイッチングトランジスタです。Aなどの文字サフィックスは、新しいバリアントを示すために使用されることがありますが、グループ化されることはほとんどありません。
日本では、JIS半導体規格（JIS-C-7012）では、トランジスタデバイスに2Sで始まるラベルが付けられています[ 114 ] 。例えば、2SD965などですが、パッケージに2Sの接頭辞が付記されていない場合もあります。2SD965はD965とだけ表記されている場合があり、2SC1815はサプライヤーによって単にC1815と表記されている場合もあります。このシリーズには、赤、オレンジ、青などを表すR、O、BLなどの接尾辞が付いており、 hFE （ゲイン）のグループ分けがよりタイトであるなど、バリエーションを示しています。
欧州電子部品製造者協会（EECA）は、 1983年にPro ElectronがEECAと合併した際に引き継いだ番号体系を使用しています。この体系は2文字で始まります。最初の文字は半導体の種類（Aはゲルマニウム、Bはシリコン、CはGaAsなどの材料）を示し、2番目の文字は用途（Aはダイオード、Cは汎用トランジスタなど）を示します。続いて3桁のシーケンス番号（または工業用タイプの場合は1文字と2桁の数字）が続きます。初期のデバイスでは、これはケースの種類を示していました。接尾辞として文字（例：Cは高hFEを意味することが多く、BC549C [ 115 ]など）や、ゲイン（例：BC327-25）や定格電圧（例：BUK854-800A [ 116 ]）を示す他のコードが続く場合があります。より一般的な接頭辞は次のとおりです。
デバイスの製造元は、 CK722のように独自の番号付けシステムを使用している場合があります。デバイスは二次供給元から調達されているため、製造元の接頭辞 (MPF102 の MPF のように、元々はMotorola FETを示すもの) は、現在ではデバイスの製造元を示す信頼できる指標ではありません。独自の命名規則の中には、他の命名規則の一部を採用しているものもあります。たとえば、PN2222A は (おそらくFairchild Semiconductor 製の) 2N2222A をプラスチックケースに入れたものです (ただし、PN108 は 2N108 ではなく BC108 のプラスチック版であり、PN100 は他の xx100 デバイスとは無関係です)。
軍用部品番号には、英国軍のCV命名システムのように、コードが割り当てられる場合がある。
類似部品を大量に購入するメーカーは、標準化された登録番号を持つデバイスではなく、特定の購入仕様を識別するハウス番号を付けて部品を供給する場合があります。たとえば、HP 部品 1854,0053 は (JEDEC) 2N2218 トランジスタ[ 117 ] [ 118 ]であり、CV 番号 CV7763 [ 119 ]も割り当てられています。
多数の独立した命名規則や、デバイスに印字される部品番号の略称のため、曖昧さが生じる場合があります。例えば、2つの異なるデバイスがJ176と表記されていることがあります（一方は低電力JFETのJ176 、もう一方は高電力MOSFETの2SJ176）。
従来のスルーホール型トランジスタが表面実装パッケージの製品に置き換えられる際、メーカーはピン配置の多様性や、1つのパッケージにデュアルまたはマッチドn-p-n + p-n-pデバイスを搭載するオプションに対応するため、それぞれ異なる部品番号が割り当てられる傾向があります。そのため、元のデバイス（例えば2N3904）が標準化機関によって割り当てられ、長年にわたってエンジニアに広く知られていたとしても、新しいバージョンの命名規則は標準化とは程遠いものとなっています。
最初のBJTはゲルマニウム（Ge）で作られました。現在ではシリコン（Si）タイプが主流ですが、一部の高度なマイクロ波および高性能バージョンでは、化合物半導体材料であるガリウムヒ素（GaAs）と半導体合金であるシリコンゲルマニウム（SiGe）が使用されています。単一元素半導体材料（GeとSi）は元素として記述されます。
トランジスタの製造に用いられる最も一般的な半導体材料の概略的なパラメータを隣の表に示します。これらのパラメータは、温度、電界、不純物濃度、歪み、その他様々な要因によって変化します。
接合順方向電圧は、BJT のエミッタ・ベース接合に印加される電圧で、ベースに特定の電流を流すためのものです。接合順方向電圧が増加すると、電流は指数関数的に増加します。表に示されている値は、1 mA の電流に対する典型的な値です (半導体ダイオードにも同じ値が適用されます)。接合順方向電圧が低いほど、トランジスタを駆動するために必要な電力が少なくなるため、好ましいです。特定の電流に対する接合順方向電圧は、温度の上昇とともに低下します。典型的なシリコン接合の場合、変化は −2.1 mV/°C です。[ 120 ]一部の回路では、このような変化を補償するために、特別な補償素子 (センシスタ) を使用する必要があります。
MOSFETのチャネル内の移動キャリア密度は、チャネルを形成する電界と、チャネル内の不純物濃度などの様々な現象によって決まります。MOSFETの電気的特性を制御するために、ドーパントと呼ばれる不純物が意図的に導入されます。
電子移動度と正孔移動度の列は、半導体材料に1メートルあたり1ボルトの電界を印加した際に、電子と正孔が半導体材料中を拡散する平均速度を示しています 。一般的に、電子移動度が高いほどトランジスタの動作速度は速くなります。この表は、この点においてGeがSiよりも優れた材料であることを示しています。しかし、Geはシリコンやガリウムヒ素と比較して、4つの大きな欠点があります。
すべての半導体材料において電子移動度が正孔移動度よりも高いため、特定のバイポーラn-p-nトランジスタは同等のp-n-pトランジスタよりも高速になる傾向があります。GaAsは3つの半導体の中で最も高い電子移動度を持っています。このため、GaAsは高周波アプリケーションで使用されています。比較的最近開発されたFETである高電子移動度トランジスタ（HEMT）は、アルミニウムガリウムヒ素（AlGaAs）-ガリウムヒ素（GaAs）のヘテロ構造（異なる半導体材料間の接合）を持ち、GaAs-金属バリア接合の2倍の電子移動度を持っています。HEMTは高速かつ低ノイズであるため、12GHz付近の周波数で動作する衛星受信機で使用されています。窒化ガリウムおよびアルミニウムガリウム窒化物（AlGaN/GaN HEMT）をベースとしたHEMTは、さらに高い電子移動度を提供し、さまざまなアプリケーション向けに開発されています。
接合部の最大温度値は、様々なメーカーのデータシートから抜粋した値です。この温度を超えるとトランジスタが損傷する恐れがありますので、必ずこの値を超えないようにしてください。
Al-Si接合とは、高速（アルミニウム-シリコン）金属-半導体バリアダイオード、一般にショットキーダイオードとして知られるものを指します。このダイオードが表に含まれているのは、一部のシリコンパワーIGFETでは、製造工程の一部としてソースとドレインの間に寄生逆ショットキーダイオードが形成されるためです。このダイオードは厄介な場合もありますが、回路で使用されることもあります。
個別トランジスタは、個別にパッケージ化されたトランジスタ、またはパッケージ化されていないトランジスタチップのいずれかである。
トランジスタは、さまざまな半導体パッケージで販売されています（図を参照）。主なカテゴリは、スルーホール（またはリード付き）と表面実装（表面実装デバイス（SMD ）とも呼ばれる）の2つです。ボールグリッドアレイ（BGA）は、最新の表面実装パッケージです。裏面にリードの代わりにハンダボールが配置されています。SMDはサイズが小さく、相互接続が短いため、高周波特性は優れていますが、電力定格は低くなります。
トランジスタのパッケージは、ガラス、金属、セラミック、またはプラスチックでできています。パッケージは、多くの場合、電力定格と周波数特性を決定します。パワートランジスタは、冷却効果を高めるためにヒートシンクに固定できる大型のパッケージを備えています。さらに、ほとんどのパワートランジスタは、コレクタまたはドレインが金属製の筐体に物理的に接続されています。その一方で、表面実装型のマイクロ波トランジスタの中には、砂粒ほどの大きさしかないものもあります。
多くの場合、特定のトランジスタタイプは複数のパッケージで提供されています。トランジスタのパッケージは概ね標準化されていますが、端子へのトランジスタの機能の割り当ては標準化されていません。他のトランジスタタイプでは、パッケージの端子に異なる機能が割り当てられることがあります。同じトランジスタタイプであっても、端子の割り当ては異なる場合があります（通常は部品番号の末尾に文字が付加されます。例：BC212LとBC212K）。
現在、ほとんどのトランジスタは幅広い種類のSMTパッケージで提供されています。それに比べて、利用可能なスルーホールパッケージの種類は比較的少ないです。以下に、最も一般的なスルーホールトランジスタパッケージをアルファベット順に簡単にリストアップします。ATV、E-line、MRT、HRT、SC-43、SC-72、TO-3、TO-18、TO-39、TO-92、TO-126、TO220、TO247、TO251、TO262、ZTX851。
パッケージ化されていないトランジスタチップ（ダイ）は、ハイブリッドデバイスに組み立てられることがあります。[ 121 ] 1960年代の IBM SLTモジュールは、ガラスパッシベーションされたトランジスタ（およびダイオード）ダイを使用したハイブリッド回路モジュールの例です。ディスクリートトランジスタをチップとしてパッケージ化する他の技術には、ダイレクトチップアタッチ（DCA）とチップオンボード（COB）があります。[ 121 ]
研究者たちは、有機電界効果トランジスタを含むいくつかの種類のフレキシブルトランジスタを作製した。[ 122 ] [ 123 ] [ 124 ]フレキシブルトランジスタは、一部のフレキシブルディスプレイやその他のフレキシブルエレクトロニクスに有用である。
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はこれらの部品の提供を終了しており、このウェブページは空で、データシートは廃止されています。
ハイブリッド回路とは、アクティブ半導体デバイス（パッケージ化されたものとパッケージ化されていないもの）の両方を含むアセンブリとして定義される。
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