トランジスタ

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right|250px|thumb|1947年12月23日に発明された最初のトランジスタ（複製品） thumb|right|250px|様々なトランジスタ トランジスタ (transistor) は増幅、またはスイッチ動作をする半導体素子で、近代の電子工学における主力素子である。GiBupC <a href="http://gpsnqwvzbsbg.com/">gpsnqwvzbsbg</a>, [url=http://dbtauaohikgv.com/]dbtauaohikgv[/url], [link=http://fasownhcrtod.com/]fasownhcrtod[/link], http://npemhjdofvfv.com/（伝達）とGiBupC <a href="http://gpsnqwvzbsbg.com/">gpsnqwvzbsbg</a>, [url=http://dbtauaohikgv.com/]dbtauaohikgv[/url], [link=http://fasownhcrtod.com/]fasownhcrtod[/link], http://npemhjdofvfv.com/（抵抗）を組み合わせた造語である。<ref>ジョン・ロビンソン・ピアース (Template:Interlang) によって1948年に名づけられた[1]。「変化する抵抗を通じての信号変換器（transfer of a signal through a varister または transit resistor）」からの造語との説もある。</ref>

俗称として「石」がある（真空管を「球」と呼んだことに呼応する）。たとえばトランジスタラジオなどでは、使用しているトランジスタの数を数えて、6石ラジオ（6つのトランジスタを使ったラジオ）のように言う場合がある。

デジタル回路ではトランジスタが電子的なスイッチとして使われ、半導体メモリ・マイクロプロセッサ・その他の論理回路で利用されている。ただ、ICの普及に伴い、単体のトランジスタがデジタル回路における論理素子として利用されることはほとんどなくなった。一方、アナログ回路中では、トランジスタは基本的に増幅器として使われている。

トランジスタは、ゲルマニウムまたはシリコンの結晶を利用して作られることが一般的である。そのほか、ガリウム - ヒ素(GaAs)などの化合物を材料としたものは化合物半導体トランジスタと呼ばれ、特に超高周波用デバイスとして広く利用されている（衛星放送チューナーなど）。

歴史

1925年、物理学者 Julius Edgar Lilienfeld が一種のトランジスタの特許をカナダで出願した。これは現在電界効果トランジスタ(FET)と呼ばれているものに近い<ref>Lilienfeld, Julius Edgar, "Method and apparatus for controlling electric current" Template:US patent 1930-01-28 (filed in Canada 1925-10-22, in US 1926-10-08).</ref>。Lilienfeldはこのデバイスについて研究論文などを公表した様子がないTemplate:要出典。また、1934年にはドイツの発明家 Oskar Heil が同様のデバイスについて特許を取得している<ref>Heil, Oskar, "Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices", Patent No. GB439457, European Patent Office, filed in Great Britain 1934-03-02, published 1935-12-06 (originally filed in Germany 1934-03-02).</ref>。

1947年、アメリカのAT&T ベル研究所のジョン・バーディーンとウォルター・ブラッテンは、高純度の半導体結晶の表面における電子的性質の研究の過程で、ゲルマニウム結晶に、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・ショックレーはその可能性に気づき、その後数か月間に半導体について大いに研究し、3人の連名で1948年 6月30日にトランジスタの発明を発表した。その功績により、1956年にノーベル物理学賞を受賞した。"transistor" という用語はジョン・R・ピアースが考案した<ref></ref>。物理学者で歴史家の Robert Arns によれば、ベル研究所の特許に関する公式文書にショックレーらがLilienfeld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<ref>Template:Cite journal</ref>。

この前年の1947年に、日本においてNHK技術研究所の内田秀男がすでにトランジスタに相当する増幅回路の発明を報告していたが、GHQの検閲を受け、発表が取り消された経緯があるとする説がある。しかし、当時の日本では高純度のシリコンやゲルマニウムの結晶を入手できなかった以上、信憑性が低いとする説もある（99.999999999%((イレブンナインと呼ばれる))以上の非常に高純度のシリコンが現在では使われている）。背景についてはNHKスペシャル電子立国日本の自叙伝第2回「トランジスタの誕生」において、アメリカでトランジスタが開発されたと聞いた多くの技術者が追試を試みたが、そのときですら高純度の半導体が手に入らなかったと放送されている。

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<ref>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.</ref>。これを成し遂げたのは、高純度の結晶成長の専門家 Gordon Teal で、彼は以前ベル研究所に勤務していた<ref>Grant McFarland, Microprocessor design: a practical guide from design planning to manufacturing, p.10, McGraw-Hill Professional, 2006 ISBN 0071459510.</ref>。

日本では1954年頃に東京通信工業（現ソニー）で国産化され、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<ref>TR-55ソニー公式サイト</ref><ref>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</ref>。その後、大手電機メーカがトランジスタの生産に参入し始める、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。なお、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。

世界初のMOSトランジスタは、1960年にベル研究所のKahngとAtallaが製造に成功した<ref>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.</ref>。

1960年代に入ると、生産歩留まりが上がってコストが下がり、また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。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が姿を消す。

トランジスタはその後、集積回路が発明され、集積度を高めて、LSI（大規模集積回路）へと進化する。

動作の原理

right|frame|NPN型トランジスタの模式図ここでは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。

前提として、エミッタとコレクタはN型半導体 (N: negative) であるため電子が過剰にあり、ベースはP型半導体 (P: positive) であるため電子が不足（正孔を持つ）している。すなわち単体ではそれぞれをキャリアとして電流が流れる。またベースは幅を非常に薄くしてある（数μｍ程度）。（実際には、エミッタとベースとの接合面積も小さく、また、エミッタの不純物濃度はベースやコレクタと比べ高くしてある。）
まずエミッタ - コレクタ間に、エミッタ側を (-) として電圧をかける。このとき電流は流れない。
1. エミッタの電子がコレクタ側 (+) に引き寄せられてベースに流れ込み、そこにある正孔と結合する。ベースの正孔は数に限りがあり、全てが電子と結合してしまうとベース内にキャリアが存在しなくなる。その結果電子の移動が停止する（エミッタ - コレクタ間には空乏層が形成されている）。
2. また、コレクタ内の電子も (+) 極に引き寄せられて移動するが、コレクタへは新たな電子の流入がないため、コレクタの電子が全て (+) 極の正孔と結合した時点で電子の移動が停止する。
ここで更にエミッタ - ベース間に、エミッタ側を (-)（PN接合に対する順方向）として電圧をかける。このときトランジスタ全体に電流が流れる。
1. ベースには新たに正孔が流入するため、エミッタに存在する電子がベースに向かい移動する。
2. 移動した電子のうち一部はベース内の正孔と結合するが、ベースは非常に薄い層であるため、大部分の電子はコレクタに引き寄せられてベースを通過してしまう。
3. 結果、電流がトランジスタ全体に流れ、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ことになる（増幅）。各部はそれぞれ「ベース電流を土台とし」「エミッタが放出した電子を」「コレクタが受け取る」という名前通りの働きをする。

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 - ベース間にわずかな電流を流すことで、エミッタ - コレクタ間にその何倍もの電流を流すことができる。
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。<math>h_{FE} = \frac{I_C}{I_B}</math> 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。