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トランジスタの種類を紹介!それぞれの特徴や活躍している場所を解説

半導体が使われているデバイスにもいろいろありますが、ここではトランジスタに着目して解説していきます。動作原理や素材、構造などに関してはできるだけ省き、種類と用途をかんたんに紹介していきます。

発明当初のトランジスタ

トランジスタが発明される以前は真空管が使われていました。弱点が多く実用化は困難でしたが、半導体が注目されるようになってから、半導体ダイオードが登場したのです。しかしまだまだこの段階では整流作用のばらつきが大きなどの問題も多くありました。そこで研究が続けられ、開発されたのが以下のトランジスタです。

点接触型トランジスタ

半導体装置に3つの電極を付け、入力電流をコントロールすることで増幅作用を示すことが発見されました。これが「点接触型トランジスタ」です。信号を入れる側のエミッター・出力側のコレクター・ベースの3点から構成されます。しかし特性が不安定であることからこのトランジスタでの実用化は難しく、次のタイプが登場します。

接合型トランジスタ

点接触型トランジスタを改良し、安定的に動作するようにしたタイプが「接合型トランジスタ」です。点接触型では金属針を刺し形で構成されているため、その名の通り点でしか接触していませんでしたが、接合型は半導体を使ったサンドイッチ構造になっています。つまり面で接触しているという違いがあります。

 

FETの登場

続いて登場するのが新たな構造をした「FET」です。これにより集積回路や通信機器などにも活躍の場が広がっています。

電界効果トランジスタ

上の接合型トランジスタでは、電流の流れる方向がデバイスの深さ(縦)方向に進むため、一次元的です。これに対し垂直(横)方向へ流れるようにしたのが「電界効果トランジスタ」です。トランジスタとしての動作させるために電気による力をかけ、二次元的に電流が流れる構造になっています。

電界効果はフィールドエフェクトと訳されることから「FET(Field Effect Transistor)」と呼ばれることが多いです。読みはそのまま「エフ・イー・ティー」です。ただ、現代においては接合型のFETはあまり使われておらず、次のMOS型が主流とされています。

 MOSトランジスタ

電子回路の集積化が進み、あらゆる電子機器に集積回路が使われるようになっています。そこで消費電力を抑え、かつ、小型に対応できるデバイスが求められるようになりました。その結果登場したのがMOS(モス)型のFET「MOSトランジスタ」です。様々なICに活用されています。

なおMOSとは、その金属・酸化膜・半導体(Metal・Oxide・Semiconductor)構造をしていることからその頭文字を取って名付けられています。

化合物半導体トランジスタ

今では当たり前のように通信機器が使われています。手元に持っているスマホなども通信機器です。他にも色んな種類の通信機器が社会全体で用いられ、IT産業発展の基礎となっています。

そして光通信・無線通信においては、高速信号・高周波特性が重視されます。そこで、2種以上の原子からなる化合物半導体を使ったトランジスタが登場します。これが「化合物半導体トランジスタ(MESFET)」です。

化合物半導体は、比較的高価で大型結晶の製造が難しいなどの難点も抱えており集積回路として一般には利用されていませんが、電気特性・光電変換特性・環境耐性の強さなどから通信機器で活躍しています。

 

大電圧・大電流への活用

ここまでで紹介した各種トランジスタは、主に低電圧で電気信号を制御するために用いられます。しかし高電圧で電力を制御したい場面もあります。ここで活躍するのがパワー半導体です。

どれだけの大電力に耐えられるのか、大電圧でどれだけ高性能に動作できるのかが課題とされ、シリコンや化合物半導体を用いたパワートランジスタの研究が進められています。

パワーMOSFET

パワー半導体の中でも、直流電力のスイッチングデバイスとして使われるのが「パワーMOSFET」です。大きな電流が流せるMOSFETとして活躍します。

例えば、パワー半導体登場前後で電子機器の電源のサイズが大きく変化しています。一般に使われる機会の多いACアダプターの小型化が進んだのもパワーMOSFETの活躍が寄与しています。発熱も抑えられるようになり、長寿命・安全性も高まっています。

絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ

最後に紹介するのは「絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)」です。

kVA以下の耐圧性能しか持たないパワーMOSFETでは使える場面に限りがあります。そこでより大きな耐圧性を持たせたのがIGBTで、大電力も高速でスイッチングできるようになりました。例えば、新幹線やハイブリッド車などでも使われています。

まとめ

製造工程も複雑でコストが高いという難点はありますが、今後さらに研究が進むことで低コスト化・大量生産なども進むかもしれません。さらには新たなデバイスが登場する可能性もあるでしょう。従来のタイプに比べて優れた性能を持つものが出てくれば、別の分野の技術レベルも発展し、私たちの生活にも直接影響を及ぼすことがあるかもしれません。

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