半導体デバイス-クイックガイド

特定の原子の電子からの原子核の距離は等しくないことが広く見られます。通常、電子は明確に定義された軌道で回転します。特定の数の電子は、外殻または軌道によってのみ保持できます。原子の電気伝導率は、主に外殻の電子の影響を受けます。これらの電子は、電気伝導率と大きく関係しています。

導体と絶縁体

電気伝導は、電子の不規則または制御されていない動きの結果です。これらの動きにより、特定の原子が良好になりますelectrical conductors。このようなタイプの原子を持つ材料は、その外殻または軌道に多くの自由電子を持っています。

比較すると、 insulating material自由電子の数は比較的少ないです。その結果、絶縁体の外殻電子はその場所をしっかりと保持する傾向があり、電流がほとんど流れないようにします。したがって、絶縁材料では、電気伝導率はほとんど発生しません。

半導体

導体と絶縁体の間には、半導体と呼ばれる原子（材料）の3番目の分類があります。一般に、半導体の導電率は、金属と絶縁体の導電率の間にあります。ただし、絶対零度では、半導体は完全な絶縁体のようにも機能します。

Silicon そして germanium最もよく知られている半導体要素です。酸化銅、硫化カドミウム、およびガリウムヒ素は、頻繁に使用される他の半導体化合物です。これらの種類の材料は、一般にタイプIVB要素として分類されます。このような原子には4つの価電子があります。それらが4つの価電子をあきらめることができれば、安定性を達成することができます。また、4つの電子を受け入れることによっても達成できます。

原子の安定性

原子の安定性の概念は、半導体材料の状態における重要な要素です。価電子帯の電子の最大数は8です。価電子帯にちょうど8つの電子がある場合、原子は安定していると言えます。でstable atom、価電子の結合は非常に堅固です。これらのタイプの原子は優れた絶縁体です。このような原子では、自由電子は電気伝導に利用できません。

安定化された元素の例は、アルゴン、キセノン、ネオン、クリプトンなどのガスです。それらの特性のため、これらのガスは他の材料と混合することができず、一般にinert gases。

外殻の価電子の数が8未満の場合、原子は不安定であると言われます。つまり、価電子が8未満の原子は不安定です。彼らは常に、安定するために隣接する原子から電子を借りたり寄付したりしようとします。5、6、または7の価電子を持つ外殻の原子は、安定性を求めるために他の原子から電子を借りる傾向がありますが、1、2、または3の価電子を持つ原子は、これらの電子を他の近くの原子に放出する傾向があります。

重量があるものはすべて問題です。原子の理論によれば、固体、液体、気体を問わず、すべての物質は原子で構成されています。原子には、中性子と陽子を保持する原子核と呼ばれる中心部分が含まれています。通常、陽子は正に帯電した粒子であり、中性子は中性に帯電した粒子です。負に帯電した粒子である電子は、太陽の周りの惑星の配列と同様の方法で、原子核の周りの軌道に配置されます。次の図は、原子の組成を示しています。

異なる元素の原子は、陽子、中性子、および電子の数が異なることがわかります。ある原子を別の原子と区別したり、さまざまな原子を分類したりするために、特定の原子の原子核内の陽子の数を示す番号が、識別された各元素の原子に割り当てられます。この番号は、atomic number要素の。半導体の研究に関連するいくつかの元素の原子番号を次の表に示します。

素子	シンボル	原子番号
ケイ素	Si	14
ゲルマニウム	Ge	32
砒素	なので	33
アンチモン	Sb	51
インジウム	に	49
ガリウム	Ga	31
ボロン	B	5

通常、原子はその正味電荷をゼロに維持するために同数の陽子と惑星電子を持っています。原子は頻繁に結合して、利用可能な価電子を介して安定化された分子または化合物を形成します。

自由な価電子を結合するプロセスは一般に呼ばれます bonding。以下は、原子の組み合わせで行われるさまざまな種類の結合です。

• イオン結合
• 共有結合
• 金属結合

ここで、これらの原子結合について詳しく説明します。

イオン結合

各原子は、原子が結合して分子を形成するときに安定性を求めています。価電子帯に8個の電子が含まれている場合、それはstabilized condition。ある原子の価電子が別の原子の価電子と結合して安定すると、ionic bonding。

• 原子の外殻に4つ以上の価電子がある場合、追加の電子を探しています。そのような原子はしばしば呼ばれますacceptor。

• いずれかの原子が外殻に4未満の価電子を保持している場合、それらはこれらの電子から移動しようとします。これらの原子はとして知られていますdonors。

イオン結合では、ドナー原子とアクセプター原子が頻繁に結合し、結合が安定します。一般的な塩は、イオン結合の一般的な例です。

次の図は、独立した原子とイオン結合の例を示しています。

上の図から、ナトリウム（Na）原子が1つの価電子を7つの価電子を持つ塩化物（Cl）原子に供与していることがわかります。塩化物原子は、余分な電子を取得するとすぐに負のバランスが崩れ、これにより原子が負イオンになります。一方、ナトリウム原子は価電子を失い、ナトリウム原子は陽イオンになります。電荷が引き付けられるのとは異なり、ナトリウム原子と塩化物原子は静電力によって結合されます。

共有結合

隣接する原子の価電子が他の原子と共有されると、共有結合が起こります。共有結合では、イオンは形成されません。これは、共有結合とイオン結合における独特の相違点です。

原子が外殻に4つの価電子を含む場合、1つの電子を4つの隣接する原子と共有できます。共有結合力は、2つのリンクする電子の間に確立されます。これらの電子は、原子間の軌道を交互にシフトします。この共有結合力は、個々の原子を結合します。共有結合の図を次の図に示します。

この配置では、各原子の原子核と価電子のみが示されています。電子対は、個々の原子が結合しているために作成されます。この場合、結合アクションを完了するには5つの原子が必要です。結合プロセスはすべての方向に広がります。これで、各原子が格子ネットワークでリンクされ、この格子ネットワークによって結晶構造が形成されます。

金属結合

3番目のタイプの結合は、一般に良好な導電体で発生し、金属結合と呼ばれます。金属結合では、陽イオンと電子の間に静電力が存在します。たとえば、銅の価電子帯の外殻には1つの電子があります。この電子は、異なる原子間で材料の周りを歩き回る傾向があります。

この電子が1つの原子を離れると、すぐに別の原子の軌道に入ります。このプロセスはノンストップで繰り返されます。電子が原子を離れると、原子は陽イオンになります。これはrandom process。これは、1つの電子が常に原子とリンクしていることを意味します。これは、電子が1つの特定の軌道に関連付けられていることを意味するものではありません。それは常に異なる軌道を歩き回っています。結果として、すべての原子がすべての価電子を共有する可能性があります。

電子は陽イオンを覆う雲の中でぶらぶらしています。このホバリングクラウドは、電子をランダムにイオンに結合します。次の図は、銅の金属結合の例を示しています。

原子の外輪にある電子の数は、依然として導体と絶縁体の違いの理由です。私たちが知っているように、固体材料は主に電子伝導を達成するために電気デバイスで使用されます。これらの材料は、導体、半導体、および絶縁体に分けることができます。

ただし、導体、半導体、および絶縁体は、エネルギー準位図によって区別されます。ここでは、電子が価電子帯を離れて伝導帯に入るのに必要なエネルギー量について説明します。この図は、材料内のすべての原子を合成したものです。絶縁体、半導体、導体のエネルギー準位図を次の図に示します。

ヴァランスバンド

下部は valence band。これは、原子核に最も近いエネルギー準位を表し、価電子帯のエネルギー準位は、原子核の正電荷のバランスを取るために必要な正しい数の電子を保持します。したがって、このバンドはfilled band。

価電子帯では、電子は原子核にしっかりと結合しています。エネルギー準位が上に移動すると、電子は後続の各準位で原子核に向かってより軽く結合します。原子核に近いエネルギー準位の電子を乱すのは簡単ではありません。電子の運動にはより大きなエネルギーが必要であり、各電子軌道には異なるエネルギー準位があるからです。

伝導帯

図の一番上または最も外側のバンドは、 conduction band。電子がこの帯域内にあり、結晶内を比較的自由に動き回れるエネルギー準位を持っている場合、それは電流を伝導します。

半導体エレクトロニクスでは、主に価電子帯と伝導帯に関心があります。以下はそれに関するいくつかの基本的な情報です-

• 各原子の価電子帯は、外殻の価電子のエネルギー準位を示しています。

• 価電子を伝導帯に入れるには、一定量のエネルギーを価電子に追加する必要があります。

禁じられたギャップ

価電子帯と伝導帯は、存在する場合は常に、禁制ギャップと呼ばれるギャップによって分離されます。禁じられたギャップを越えるには、一定量のエネルギーが必要です。それが不十分な場合、電子は伝導のために放出されません。電子は、禁じられたギャップを越えるために追加のエネルギーを受け取るまで、価電子帯に留まります。

特定の材料の伝導状態は、禁止されたギャップの幅で示すことができます。原子理論では、ギャップの幅は電子ボルト（eV）で表されます。電子ボルトは、電子が1 Vの電位差にさらされたときに得られる、または失われるエネルギーの量として定義されます。各要素の原子は、伝導を可能にする異なるエネルギーレベル値を持っています。

注意してください forbidden region絶縁体の幅は比較的広いです。絶縁体を導通させるには、非常に大量のエネルギーが必要になります。たとえば、サイライト。

絶縁体が高温で動作する場合、熱エネルギーの増加により、価電子帯の電子が伝導帯に移動します。

エネルギーバンド図から明らかなように、半導体の禁止ギャップは絶縁体のそれよりもはるかに小さい。たとえば、シリコンは伝導帯に入るには0.7eVのエネルギーを得る必要があります。室温では、熱エネルギーの追加は、半導体の伝導を引き起こすのに十分である可能性があります。この特定の特性は、ソリッドステート電子デバイスで非常に重要です。

導体の場合、伝導帯と価電子帯が部分的に重なっています。ある意味、禁じられたギャップはありません。したがって、価電子帯の電子は解放されて自由電子になることができます。通常、通常の室温では、導体内で電気伝導はほとんど起こりません。

前に説明したように、原子ごとに1つ以上の自由電子が存在する場合があります。これらの自由電子は、印加された電界の影響下で金属の内部を完全に通過します。

次の図は、金属内の電荷分布を示しています。それはとして知られていますelectron-gas description of a metal。

ザ・ hashed region正電荷を持つ原子核を表します。青い点は、原子の外殻にある価電子を表しています。基本的に、これらの電子は特定の原子に属していないため、個々のアイデンティティを失い、原子から原子へと自由に歩き回っています。

電子が途切れることなく運動しているときは、重イオンとの衝突のたびに輸送方向が変わります。これは、金属の電子ガス理論に基づいています。衝突間の平均距離は、mean free path。与えられた時間に反対方向に金属の単位面積をランダムに通過する電子は、平均電流をゼロにします。

半導体デバイスに電圧を印加すると、電子電流はソースの正側に流れ、正孔電流はソースの負側に流れます。このような状況は、半導体材料でのみ発生します。

シリコンとゲルマニウムが最も一般的な半導体材料です。一般に、半導体の導電率は、金属と絶縁体の導電率の間にあります。

半導体としてのゲルマニウム

以下は、についてのいくつかの重要なポイントです Germanium −

• ゲルマニウムの最も外側の軌道には4つの電子があります。結合では、原子は外側の電子のみで表示されます。

• ゲルマニウム原子は、共有結合で価電子を共有します。これを次の図に示します。ゲルマニウムは、共有結合に関連するものです。ゲルマニウムの結晶形は結晶格子と呼ばれます。このタイプの構造では、次の図に示すように原子が配置されています。

• このような配置では、電子は非常に安定した状態にあるため、導体との関連付けにはあまり適していません。純粋な形では、ゲルマニウムは絶縁材料であり、intrinsic semiconductor。

次の図は、シリコンとゲルマニウムの原子構造を示しています。

半導体としてのシリコン

半導体デバイスは、さまざまな電子部品の製造にもシリコンを使用しています。シリコンとゲルマニウムの原子構造を上図に示します。シリコンの結晶格子構造はゲルマニウムと似ています。

以下はシリコンに関する重要なポイントのいくつかです-

• ゲルマニウムのように最外殻に4つの電子があります。

• 純粋な形では、半導体デバイスとしては役に立ちません。

• 不純物を加えることにより、所望の量の導電率を得ることができる。

• 不純物の添加は、注意深く管理された環境で行う必要があります。

• 添加される不純物の種類に応じて、電子が過剰または不足します。

次の図は、シリコンの固有の結晶を示しています。

純粋なシリコンやゲルマニウムが半導体として使用されることはめったにありません。実用的な半導体には、不純物の量を制御する必要があります。不純物を加えると導体の能力が変化し、半導体として機能します。真性または純粋な材料に不純物を加えるプロセスは、doping 不純物は dopant。ドーピング後、内因性材料は外因性材料になります。実際には、これらの材料をドープした後にのみ使用可能になります。

結晶構造を変えずにシリコンやゲルマニウムに不純物を加えると、N型の材料ができます。一部の原子では、電子の価電子帯にヒ素（As）やアンチモン（Sb）などの5つの電子があります。シリコンに不純物をドープしても、結晶構造や結合プロセスが変化してはなりません。不純物原子の余分な電子は共有結合に関与しません。これらの電子は、元の原子によって緩く結合されています。次の図は、不純物原子を追加したシリコン結晶の変化を示しています。

N型材料へのドーピングの影響

N型材料へのドーピングの影響は次のとおりです。

• 純粋なシリコンにヒ素を加えると、結晶はN型材料になります。

• ヒ素原子には、共有結合のプロセスに関与しない追加の電子または負電荷があります。

• これらの不純物は、1つの電子を結晶に放出または供与し、ドナー不純物と呼ばれます。

• N型材料には、固有の材料よりも余分な電子または自由電子があります。

• N型材料は負に帯電していません。実際、その原子はすべて電気的に中性です。

• これらの余分な電子は、共有結合プロセスには関与しません。それらは結晶構造の中を自由に動き回ることができます。

• N型外因性シリコン結晶は、わずか0.005eVのエネルギーを印加して伝導します。

• 真性結晶の電子を価電子帯から伝導帯に移動させるのに必要なのはわずか0.7eVです。

通常、このタイプの結晶では、電子が多数派の電流キャリアであると見なされ、正孔が少数派の電流キャリアです。シリコンに追加されたドナー材料の量は、その構造内の多数派の電流キャリアの数を調べます。

N型シリコンの電子数は、不純物半導体の電子正孔対の何倍にもなります。室温では、この材料の電気伝導率に大きな違いがあります。電流の流れに参加する電流キャリアは豊富にあります。電流の流れは、主にこのタイプの材料の電子によって実現されます。したがって、外因性材料は優れた導電体になります。

P型材料へのドーピングの影響

P型材料へのドーピングの影響は次のとおりです。

• 純シリコンにインジウム（In）またはガリウム（Ga）を加えると、P型の材料が形成されます。

• このタイプのドーパント材料には、3つの価電子があります。彼らは熱心に4番目の電子を探しています。

• P型材料では、各穴に電子を充填することができます。この穴の領域を埋めるために、隣接する共有結合グループからの電子が必要とするエネルギーは非常に少なくなります。

• シリコンは通常、1〜106の範囲のドーピング材料でドープされます。これは、P材料が純粋なシリコンの電子正孔対よりもはるかに多くの正孔を持つことを意味します。

• 室温では、この材料の電気伝導率に非常に明確な特性の違いがあります。

次の図は、アクセプター元素（この場合はインジウム）をドープしたときにシリコンの結晶構造がどのように変化するかを示しています。P材料の一部は正に帯電していません。その原子は主にすべて電気的に中性です。

ただし、多くの原子グループの共有結合構造には穴があります。電子が入って穴を埋めると、穴は空になります。電子が残った結合グループに新しい穴が作成されます。実際の穴の動きは、電子の動きの結果です。Pタイプの材料は、わずか0.05eVのエネルギーを印加して伝導します。

上の図は、電圧源に接続したときにP型結晶がどのように応答するかを示しています。電子よりも多くの正孔があることに注意してください。電圧が印加されると、電子はバッテリーのプラス端子に引き付けられます。

穴は、ある意味でバッテリーのマイナス端子に向かって移動します。この時点で電子が拾われます。電子はすぐに穴を埋めます。その後、穴は無効になります。同時に、電池のプラス端子によって材料から電子が引き出されます。したがって、異なる結合グループ間で電子が移動するため、正孔は負の端子に向かって移動します。エネルギーが適用されると、穴の流れは継続します。

PとNの材料で作られた結晶構造は一般的にとして知られています junction diode。これは一般に2端子デバイスと見なされます。次の図に示すように、一方の端子はPタイプの材料に取り付けられ、もう一方の端子はNタイプの材料に取り付けられています。

これらの材料が接続されている共通の結合点は、 junction。接合ダイオードにより、電流キャリアが一方向に流れ、逆方向の電流の流れが妨げられます。

次の図は、接合ダイオードの結晶構造を示しています。接合部に対するP型とN型の材料の位置を見てください。結晶の構造は、一端から他端まで連続しています。接合部は、一方の材料の終わりともう一方の材料の始まりを表す分離点としてのみ機能します。このような構造により、電子は構造全体を完全に移動することができます。

次の図は、PN接合に成形される前の半導体物質の2つの部分を示しています。指定されているように、材料の各部分にはmajority そして minority current carriers。

各資料に示されているキャリア記号の数は、少数派または多数派の機能を示しています。私たちが知っているように、電子はN型材料の多数キャリアであり、正孔は少数キャリアです。Pタイプの材料では、正孔が多数キャリアであり、電子が少数キャリアです。

最初に、接合ダイオードが形成されると、電流キャリア間に固有の相互作用があります。N型材料では、電子は接合部を横切って容易に移動し、P材料の穴を埋めます。この行為は一般的に呼ばれますdiffusion。拡散は、一方の材料にキャリアが大量に蓄積し、もう一方の材料に集まりが少ない結果です。

一般に、接合部に近い電流キャリアは、拡散のプロセスにのみ関与します。N物質から離れる電子は、その場所に陽イオンを生成します。穴を埋めるためにP材料に入ると、これらの電子によって負イオンが生成されます。その結果、接合部の両側に多数の正イオンと負イオンが含まれます。

これらの正孔と電子が空乏化する領域は、一般に空乏領域という用語で知られています。現在のキャリアの過半数が不足している地域です。通常、PN接合が形成されると空乏領域が発生します。次の図は、接合ダイオードの空乏領域を示しています。

N型とP型の材料は、共通の接合部で結合される前は、電気的に中性であると見なされます。ただし、接合拡散が瞬時に発生した後、電子が接合部を通過して正孔を埋め、P材料に負イオンが出現すると、この作用により接合部の近くの領域が負電荷を帯びます。N材料から離れる電子により、N材料は陽イオンを生成します。

このすべてのプロセスにより、接合部のN側が正味の正電荷を帯びます。この特定の電荷の生成は、残りの電子と正孔を接合部から遠ざける傾向があります。この動作により、他の電荷キャリアが接合部全体に拡散するのがやや困難になります。その結果、電荷が蓄積されるか、接合部に障壁電位が現れます。

次の図に示すように。結果として生じる障壁電位には、PN接合の両端に接続された小さなバッテリーがあります。与えられた図では、PおよびN材料に関するこのポテンシャル障壁の極性を観察してください。この電圧または電位は、水晶が外部エネルギー源に接続されていない場合に存在します。

ゲルマニウムの障壁電位は約0.3V、シリコンの障壁電位は0.7 Vです。これらの値を直接測定することはできず、接合部の空間電荷領域全体に現れます。電流伝導を生成するために、PN接合の障壁電位は外部電圧源によって克服されなければなりません。

バイアスという用語は、特定の動作条件を設定するためにDC電圧を印加することを指します。または、外部エネルギー源がPN接合に印加される場合、それはバイアス電圧または単にバイアスと呼ばれます。この方法は、接合部の障壁電位を増加または減少させます。その結果、障壁電位の低下により、電流キャリアは空乏領域に戻ります。次の2つのバイアス条件がPN接合に適用されます。

• Forward Biasing −バリア電位に同じ極性の外部電圧が加えられると、空乏領域の幅が広がります。

• Reverse Biasing − PN接合は、外部電圧作用の印加が電流キャリアが空乏領域に入るのを防ぐようにバイアスされています。

順バイアス

次の図は、外部電圧が印加された順方向バイアスPN接合ダイオードを示しています。バッテリーのプラス端子がP素材に接続され、バッテリーのマイナス端子がN素材に接続されていることがわかります。

以下は観察結果です-

• このバイアス電圧は、各PおよびNタイプの材料の大部分の電流キャリアをはじきます。その結果、多数の正孔と電子が接合部に現れ始めます。

• 接合のN側では、電子が移動して空乏領域の陽イオンを中和します。

• P側の材料では、電子が負イオンから引きずり出され、再び中性になります。これは、順方向バイアスが空乏領域を崩壊させ、したがって障壁ポテンシャルも崩壊させることを意味します。これは、PN接合が順方向にバイアスされている場合、連続的な電流が流れることを意味します。

次の図は、順方向にバイアスされたダイオードの電流キャリアの流れを示しています。ダイオードに接続された外部電圧源により、電子の一定の供給が可能です。電流の流れと方向は、図のダイオードの外側にある大きな矢印で示されています。電子の流れと電流の流れは同じものを指していることに注意してください。

以下は観察結果です-

• 電子がワイヤーを通ってバッテリーのマイナス端子からN材料に流れると仮定します。この材料に入ると、それらはすぐに接合部に流れます。

• 同様に、反対側では、同数の電子がP側から引き出され、バッテリーのプラス端子に戻されます。このアクションにより、新しい穴が作成され、ジャンクションに向かって移動します。

• これらの正孔と電子が接合部に到達すると、それらは結合して効果的に消滅します。その結果、新しい正孔と電子がダイオードの外側の端に現れます。これらの多数キャリアは継続的に作成されます。この動作は、外部電圧源が印加されている限り継続します。

• ダイオードが順方向にバイアスされている場合、電子がダイオードの構造全体を流れることに気付くことができます。これはNタイプの材料では一般的ですが、P材料では穴が移動する電流キャリアです。一方向の正孔の動きは、反対方向の電子の動きから始めなければならないことに注意してください。したがって、総電流は正孔の追加であり、電子はダイオードを流れます。

逆バイアス

次の図は、外部電圧が印加された逆バイアスPN接合ダイオードを示しています。バッテリーのプラス端子がN素材に接続され、バッテリーのマイナス端子がP素材に接続されていることがわかります。このような配置では、電池の極性はダイオードの材料の極性と反対になり、異なる電荷が引き付けられることに注意してください。したがって、各材料の大部分の電荷キャリアは、接合部から引き離されます。逆バイアスにより、ダイオードは非導電性になります。

次の図は、逆バイアスされたダイオードの大部分の電流キャリアの配置を示しています。

以下は観察結果です-

• 回路の作用により、N材料の電子がバッテリーのプラス端子に向かって引っ張られます。

• ダイオードを移動または離脱する各電子は、その場所に陽イオンを発生させます。その結果、接合部のN側の空乏領域の幅が同等に増加します。

• ダイオードのP側はN側と同様の効果があります。この動作では、多数の電子がバッテリーのマイナス端子から出て、Pタイプの材料に入ります。

• これらの電子はすぐに移動し、いくつかの穴を埋めます。占有された各穴は、マイナスイオンになります。これらのイオンは、バッテリーのマイナス端子によって反発され、接合部に向かって駆動されます。これにより、接合部のP側の空乏領域の幅が広がります。

空乏領域の全幅は、逆バイアスされたダイオードの外部電圧源に直接依存します。この場合、ダイオードは広い空乏領域を流れる電流を効率的にサポートできません。その結果、電位電荷は接合部の両端で発生し始め、障壁電位が外部バイアス電圧と等しくなるまで増加します。この後、ダイオードは非導体として動作します。

PN接合ダイオードの重要な導通制限は次のとおりです。 leakage current。ダイオードが逆バイアスされると、空乏領域の幅が広がります。一般に、この条件は、接合部付近の電流キャリアの蓄積を制限するために必要です。大部分の電流キャリアは主に空乏領域で打ち消されるため、空乏領域は絶縁体として機能します。通常、電流キャリアは絶縁体を通過しません。

逆バイアスされたダイオードでは、いくらかの電流が空乏領域を流れることがわかります。この電流を漏れ電流と呼びます。漏れ電流は少数電流キャリアに依存します。少数キャリアは、P型材料では電子であり、N型材料では正孔であることがわかっています。

次の図は、ダイオードが逆バイアスされたときに電流キャリアがどのように反応するかを示しています。

以下は観察結果です-

• 各材料の少数キャリアは、空乏ゾーンを通って接合部に押し出されます。この動作により、非常に小さなリーク電流が発生します。一般に、漏れ電流は非常に小さいため、無視できると見なすことができます。

• ここで、漏れ電流の場合、温度が重要な役割を果たします。少数電流キャリアは主に温度に依存します。

• 25°Cまたは78°Fの室温では、逆バイアスダイオードに存在する少数キャリアはごくわずかです。

• 周囲の温度が上昇すると、少数キャリアの生成が大幅に増加し、その結果、それに対応してリーク電流が増加します。

すべての逆バイアスダイオードで、リーク電流の発生はある程度正常です。ゲルマニウムおよびシリコンダイオードでは、リーク電流はごくわずかです。microamperes そして nanoamperes、それぞれ。ゲルマニウムはシリコンよりもはるかに温度の影響を受けやすいです。このため、最近の半導体デバイスでは主にシリコンが使用されています。

順方向バイアスおよび逆方向バイアス操作には、さまざまな電流スケールがあります。曲線の前方部分は、P領域が正になり、N領域が負になったときにダイオードが導通することを示しています。

ダイオードは、高抵抗方向にほとんど電流を流しません。つまり、P領域を負にし、N領域を正にします。これで、正孔と電子が接合部から排出され、障壁ポテンシャルが増加します。この状態は、曲線の逆電流部分で示されます。

曲線の点線部分は、 ideal curve、アバランシェ降伏がなかった場合に発生します。次の図は、接合ダイオードの静的特性を示しています。

ダイオードIVの特性

ダイオードの順方向および逆方向の電流電圧（IV）特性は、通常、単一の特性曲線で比較されます。順方向特性のセクションに示されている図は、順方向電圧と逆方向電圧が通常、グラフの水平線上にプロットされていることを示しています。

順方向および逆方向の電流値がグラフの縦軸に表示されます。順方向電圧は右に、逆方向電圧は左に表されています。開始点またはゼロ値はグラフの中心にあります。順方向電流は水平軸より上に伸び、逆方向電流は下向きに伸びます。

順方向電圧と順方向電流の合計値はグラフの右上部分にあり、逆方向電圧と逆方向電流の値は左下隅にあります。通常、順方向と逆方向の値を表示するために異なるスケールが使用されます。

フォワード特性

ダイオードが順方向にバイアスされると、順方向に電流（IF）が流れます。IFの値は、順方向電圧の量に直接依存します。順方向電圧と順方向電流の関係は、アンペアボルトまたはダイオードのIV特性と呼ばれます。次の図に、代表的なダイオードの順方向IV特性を示します。

以下は観察結果です-

• 順方向電圧はダイオードの両端で測定され、順方向電流はダイオードを流れる電流の測定値です。

• ダイオード両端の順方向電圧が0Vに等しい場合、順方向電流（IF）は0mAに等しくなります。

• グラフの始点（0）から値が始まるとき、VFが0.1V刻みで徐々に増加すると、IFが上昇し始めます。

• VFの値がPN接合の障壁ポテンシャルを克服するのに十分な大きさである場合、IFのかなりの増加が発生します。これが発生するポイントは、しばしばニー電圧と呼ばれますV_K。ゲルマニウムダイオードの場合、V_K は約0.3V、シリコンの場合は0.7Vです。

• IFの値がはるかに超えて増加した場合 V_K、順方向電流がかなり大きくなります。

この動作により、接合部に過度の熱が発生し、ダイオードが破壊される可能性があります。この状況を回避するために、保護抵抗がダイオードと直列に接続されています。この抵抗は、順方向電流を最大定格値に制限します。通常、ダイオードが順方向に動作する場合、電流制限抵抗が使用されます。

逆特性

ダイオードが逆バイアスされると、通常は非常に小さい逆電流が流れます。代表的なダイオード逆IV特性を上図に示します。

このグラフの垂直逆電流線には、マイクロアンペアで表された電流値があります。逆電流の伝導に関与する少数電流キャリアの量は非常に少ないです。一般に、これは逆電流が逆電圧の大部分にわたって一定のままであることを意味します。ダイオードの逆電圧を最初から上げると、逆電流にごくわずかな変化があります。ブレークダウン電圧（VBR）ポイントでは、電流は非常に急速に増加します。この時点では、ダイオードの両端の電圧はかなり一定のままです。

この定電圧特性は、逆バイアス条件下でのダイオードの多くのアプリケーションにつながります。逆バイアスされたダイオードの電流伝導に関与するプロセスは、次のように呼ばれます。Avalanche breakdown そして Zener breakdown。

ダイオードの仕様

他の選択と同様に、特定のアプリケーション用のダイオードの選択を検討する必要があります。製造元は通常、このタイプの情報を提供します。最大電圧および電流定格、通常の動作条件、機械的事実、リードの識別、取り付け手順などの仕様。

以下は重要な仕様の一部です-

• Maximum forward current (IFM) −ダイオードを通過できる絶対最大繰り返し順方向電流。

• Maximum reverse voltage (VRM) −ダイオードに印加できる絶対最大またはピーク逆バイアス電圧。

• Reverse breakdown voltage (VBR) −ブレークダウンが発生する最小定常状態逆電圧。

• Maximum forward surge current (IFM-surge)−短時間で許容できる最大電流。この現在の値はIFMよりはるかに大きいです。

• Maximum reverse current (IR) −デバイスの動作温度で許容できる絶対最大逆電流。

• Forward voltage (VF) −デバイスの動作温度での特定の順方向電流に対する最大順方向電圧降下。

• Power dissipation (PD) −デバイスが25°Cの自由空気中で継続的に安全に吸収できる最大電力。

• Reverse recovery time (Trr) −デバイスがオンからオフの統計に切り替わるのにかかる最大時間。

重要な用語

• Breakdown Voltage −逆電流の急激な上昇によりPN接合が破壊する最小逆バイアス電圧です。

• Knee Voltage −接合部を流れる電流が急激に増加し始める順方向電圧です。

• Peak Inverse Voltage − PN接合に損傷を与えることなく、印加できる最大逆電圧です。

• Maximum Forward Rating − PN接合が損傷することなく通過できる、瞬間順方向電流の最大値です。

• Maximum Power Rating −ジャンクションに損傷を与えることなく、ジャンクションから放散できる最大電力です。

発光ダイオードは、直接的または間接的に私たちの日々の活動に影響を与えています。メッセージディスプレイからLEDTVまで、これらのLEDが存在するすべての場所。基本的には、順方向電流が流れると発光するPN接合ダイオードです。次の図は、LEDの論理記号を示しています。

PN接合ダイオードはどのように光を放出しますか？

LEDは、シリコンやゲルマニウム、およびガリウム砒素（GaAs）やガリウムリン（GaP）などの元素でできていません。これらの材料は、発光するため、意図的に使用されています。したがって、LEDが順方向にバイアスされると、通常どおり、電子が接合部を通過して正孔と結合します。

この作用により、N型領域の電子は伝導帯から脱落して価電子帯に戻ります。そうすることで、各自由電子が持っているエネルギーが解放されます。放出されたエネルギーの一部は熱として現れ、残りは可視光エネルギーとして与えられます。

LEDがシリコンとゲルマニウムでできている場合、電子の再結合中に、すべてのエネルギーが熱のみの形で放散されます。一方、ガリウム砒素（GaAs）やガリウムリン（GaP）などの材料は、可視光を生成するのに十分な光子を持っています。

• LEDがガリウムヒ素から作られている場合、それらは赤色光を生成します。
• LEDがリン化ガリウムでできている場合、そのようなLEDは緑色の光を発します。

ここで、1つのLEDのアノードが別のLEDのカソードに接続されるように、またはその逆になるように、外部電圧源の両端に背中合わせに接続された2つのLEDについて考えてみます。この回路に外部電圧が印加されると、一度に1つのLEDが動作し、この回路動作により、一方のLEDが順方向にバイアスされ、もう一方が逆方向にバイアスされると、異なる光を発します。

LEDの利点

LEDには次の利点があります-

• サイズはかなり小さいです。
• 非常に高速な切り替え。
• 非常に低い電圧で操作できます。
• 非常に長い平均余命。
• 建設手順により、さまざまな形状やパターンでの製造が可能になります。

LEDの用途

LEDは主に、0から9までの数字を示す数値表示で使用されます。 seven-segment display デジタルメーター、時計、電卓などにあります。

これは特定のタイプの半導体ダイオードであり、逆ブレークダウン領域で動作するように作られています。次の図は、ツェナーダイオードの結晶構造と記号を示しています。従来のダイオードとほぼ同じです。ただし、通常のダイオードのシンボルと区別するために、小さな変更が加えられています。曲がった線は、ツェナーの文字「Z」を示しています。

ツェナーダイオードと通常のPN接合ダイオードの最も重要な違いは、回路で使用されるモードにあります。これらのダイオードは通常、逆バイアス方向でのみ動作します。つまり、アノードは電圧源の負側に接続し、カソードは正側に接続する必要があります。

通常のダイオードをツェナーダイオードと同じように使用すると、過電流により破壊されます。この特性により、ツェナーダイオードの重要性は低くなります。

次の図は、ツェナーダイオードを備えたレギュレータを示しています。

ツェナーダイオードは、安定化されていないDC電源の両端に逆バイアス方向に接続されています。逆ブレークダウン電圧が低下するように高濃度にドープされています。これにより、非常に薄い空乏層が生じます。このため、ツェナーダイオードは鋭い逆絶縁破壊電圧を持っていますV_z。

次の図に示すように、回路の動作に従って、電流が急激に増加するとブレークダウンが急激に発生します。

電圧 V_z電流の増加に伴って一定のままです。この特性により、ツェナーダイオードは電圧調整に広く使用されています。ツェナーを流れる電流の変化に関係なく、ほぼ一定の出力電圧を提供します。したがって、負荷電圧は一定値のままです。

ニー電圧と呼ばれる特定の逆電圧では、定電圧で電流が急激に増加することがわかります。この特性により、ツェナーダイオードは電圧安定化に広く使用されています。

フォトダイオードは、光にさらされると電流を流すPN接合ダイオードです。このダイオードは、実際には逆バイアスモードで動作するように設計されています。これは、入射光の強度が大きいほど、逆バイアス電流が大きくなることを意味します。

次の図は、フォトダイオードの回路図記号と構造の詳細を示しています。

フォトダイオードの働き

それは reverse-biased diode。入射光の強度が増加すると、逆電流が増加します。これは、逆電流が入射光の強度に正比例することを意味します。

これは、P型基板に取り付けられ、金属ケースに密封されたPN接合で構成されています。接合点は透明レンズでできており、光が当たる窓です。

ご存知のように、PN接合ダイオードに逆バイアスをかけると、ごく少量の逆電流が流れます。逆電流は、ダイオードの空乏領域の電子正孔対によって熱的に生成されます。

光がPN接合に当たると、接合に吸収されます。これにより、より多くの電子正孔対が生成されます。または、特徴的に、逆電流の量が増加すると言うことができます。

言い換えると、入射光の強度が増加すると、PN接合ダイオードの抵抗が減少します。

• この動作により、ダイオードの導電性が高まります。
• これらのダイオードの応答時間は非常に高速です
• これらは、ハイコンピューティングデバイスで使用されます。
• 警報回路、カウンタ回路などにも使用されています。

基本的な太陽電池は、pn接合を形成するn型とp型の半導体で構成されています。上部は拡張されて透明で、通常は太陽にさらされています。これらのダイオードまたはセルは、光にさらされると電圧を生成する例外的なものです。セルは、光エネルギーを直接電気エネルギーに変換します。

次の図は、 symbol of photovoltaic cell。

太陽電池の働き

太陽電池の構造は、PN接合ダイオードの構造と似ています。光が当たっていないときは、デバイスに電流は流れません。この状態では、セルは電流を生成できません。

かなりの量の光を必要とするセルに適切にバイアスをかけることが不可欠です。光を当てるとすぐに、PN接合ダイオードの顕著な状態が観察されます。その結果、電子は十分なエネルギーを獲得し、親原子から離れます。空乏領域で新しく生成されたこれらの電子正孔対は、接合部を通過します。

この動作では、通常の正イオン濃度のため、電子はN型材料に移動します。同様に、そのネガティブ含有量のために、穴はPタイプの材料に広がります。これにより、Nタイプの材料は即座に負の電荷を帯び、Pの材料は正の電荷を帯びます。次に、PN接合は応答として小さな電圧を供給します。

太陽電池の特性

左の次の図は、特性の1つである、フォトダイオードの逆電流（I _R）と照明（E）の間のグラフを示しています。IRは縦軸で測定され、照明は横軸で測定されます。グラフはゼロ位置を通る直線です。

つまり、I _R = mE

m =グラフの直線の傾き

パラメータ m はダイオードの感度です。

右の図は、フォトダイオードのもう1つの特性である、フォトダイオードの逆電流（I _R）と逆電圧のグラフを示しています。与えられた逆電圧に対して、PN接合の照明が増加するにつれて逆電流が増加することがグラフから明らかです。

これらのセルは通常、光が当たると負荷装置に電力を供給します。より大きな電圧が必要な場合は、これらのセルのアレイを使用して同じものを提供します。このため、太陽電池は、高レベルの光エネルギーが利用できるアプリケーションで使用されます。

これは、PN材料の不純物濃度が一貫していない特殊なPN接合ダイオードです。通常のPN接合ダイオードでは、ドーピング不純物は通常、材料全体に均等に分散されます。接合部の近くに非常に少量の不純物がドープされたバラクタダイオードと不純物濃度は、接合部から離れるにつれて増加します。

従来の接合ダイオードでは、空乏領域はPとNの材料を分離する領域です。空乏領域は、接合が最初に形成されたときに最初に発生します。この領域には電流キャリアがないため、空乏領域は誘電体媒体または絶縁体として機能します。

多数キャリアとして穴のあるP型材料と多数キャリアとして電子を持つN型材料が帯電プレートとして機能するようになりました。したがって、ダイオードは、N型とP型の反対の帯電プレートを備えたコンデンサと見なすことができ、空乏領域は誘電体として機能します。ご存知のように、半導体であるPとNの材料は、空乏領域の絶縁体によって分離されています。

逆バイアス下で静電容量効果に応答するように設計されたダイオードは、 varactors, varicap diodes、または voltage-variable capacitors。

次の図は、バラクターダイオードの記号を示しています。

バラクタダイオードは通常、逆バイアス状態で動作します。逆バイアスが大きくなると、空乏領域の幅も大きくなり、静電容量が小さくなります。これは、逆バイアスが減少すると、対応する静電容量の増加が見られることを意味します。したがって、ダイオードの静電容量はバイアス電圧に反比例して変化します。通常、これは線形ではありません。ゼロと逆方向降伏電圧の間で動作します。

バラクターダイオードの静電容量は次のように表されます。

$$ C_T = E \ frac {A} {W_d} $$

• C_T =接合部の総静電容量

• E =半導体材料の誘電率

• A =接合部の断面積

• W_d =空乏層の幅

これらのダイオードは、マイクロ波アプリケーションで使用される可変です。バラクターダイオードは、ある程度の電圧調整または周波数制御が必要な共振回路でも使用されます。このダイオードは、FMラジオやテレビの受信機の自動周波数制御（AFC）にも採用されています。

バイポーラトランジスタは、主に反対のタイプの半導体材料の2つの層で構成され、背中合わせに接続されています。シリコンまたはゲルマニウムに添加される不純物の種類によって、形成されるときの極性が決まります。

NPNトランジスタ

NPNトランジスタは、P型半導体材料の薄層で分離された2つのN型材料で構成されています。NPNトランジスタの結晶構造と回路図記号を上図に示します。

として認識される各タイプの材料から取り出された3つのリードがあります emitter, base、および collector。記号では、エミッタの矢印がベースから外側に向いている場合、デバイスがNPNタイプであることを示しています。

PNPトランジスタ

PNPトランジスタは、N型半導体材料の薄層で分離された2つのP型材料で構成されています。PNPトランジスタの結晶構造と回路図記号を以下に示します。

記号では、エミッタの矢印がベースに向かって内側に向いている場合、デバイスがPNPタイプであることを示しています。

以下は、トランジスタの構築に使用されるいくつかの製造技術です。

拡散タイプ

この方法では、半導体のウェーハは、N型とP型の両方の不純物のガス拡散にさらされて、エミッタとコレクタの接合部を形成します。最初に、ベース-コレクタ接合が決定され、ベース拡散の直前にフォトエッチングされます。その後、エミッタはベース上に拡散されます。この技術で製造されたトランジスタは、雑音指数が良く、電流利得の改善も見られます。

成長型

溶融したシリコンまたはゲルマニウムから単結晶を引き出すことで形成されます。必要な濃度の不純物は、結晶延伸操作中に追加されます。

エピタキシャルタイプ

シリコンまたはゲルマニウムの非常に高純度で薄い単結晶層が、同じタイプの高濃度にドープされた基板上に成長します。この改良されたバージョンの結晶は、エミッターとベースの接合部が形成されるコレクターを形成します。

合金タイプ

この方法では、ベースセクションはNタイプの材料の薄いスライスで作られています。スライスの反対側には、インジウムの2つの小さな点が取り付けられており、完全な形成が短時間高温に保たれます。温度はインジウムの融解温度より高く、ゲルマニウムより低くなります。この手法は、融合構造としても知られています。

電気化学エッチングタイプ

この方法では、半導体ウェーハの反対側に、ベース領域の幅を狭くするためにくぼみがエッチングされます。次に、適切な金属がくぼみ領域に電気めっきされて、エミッタとコレクタの接合部が形成されます。

トランジスタには3つのセクションがあります。 emitter、 base、 そしてその collector。

• ザ・ base エミッターよりもはるかに薄く、コレクターは両方よりも比較的幅が広いです。

• ザ・ emitter は高濃度にドープされているため、電流伝導のために多数の電荷キャリアを注入できます。

• ベースは、エミッターおよびコレクターよりも比較的低濃度にドープされているため、ほとんどの電荷キャリアをコレクターに渡します。

トランジスタが適切に機能するためには、エミッタベース領域を順方向にバイアスし、コレクタベース領域を逆方向にバイアスする必要があります。

半導体回路では、ソース電圧はバイアス電圧と呼ばれます。機能するためには、バイポーラトランジスタは両方の接合部にバイアスがかかっている必要があります。この状態により、回路に電流が流れます。デバイスの空乏領域が減少し、大部分の電流キャリアが接合部に向かって注入されます。トランジスタの接合部の1つは順方向にバイアスされ、もう1つは逆方向にバイアスされている必要があります。

NPNトランジスタの動作

上図に示すように、エミッタとベースの接合部は順方向にバイアスされ、コレクタとベースの接合部は逆方向にバイアスされています。エミッタからベースへの接合部の順方向バイアスにより、電子はN型エミッタからバイアスに向かって流れます。この条件は、エミッタ電流（I _E）を定式化します。

P型材料を通過する間、電子は正孔と結合する傾向があり、一般に非常に少なく、ベース電流（I _B）を構成します。残りの電子は薄い空乏領域を通過し、コレクタ領域に到達します。この電流はコレクタ電流（I _C）を構成します。

言い換えれば、エミッタ電流は実際にはコレクタ回路を流れます。したがって、エミッタ電流はベース電流とコレクタ電流の合計であると考えることができます。次のように表すことができます。

I _E = I _B + I _C

PNPトランジスタの動作

次の図に示すように、エミッタからベースへの接合は順方向にバイアスされ、コレクタからベースへの接合は逆方向にバイアスされます。エミッタからベースへの接合部の順方向バイアスにより、正孔はPタイプのエミッタからバイアスに向かって流れます。この条件は、エミッタ電流（I _E）を定式化します。

N型材料を通過する間、電子は電子と結合する傾向があり、一般に非常に少なく、ベース電流（I _B）を構成します。残りの穴は薄い空乏領域を横切り、コレクタ領域に到達します。この電流はコレクタ電流（I _C）を構成します。

言い換えれば、エミッタ電流は実際にはコレクタ回路を流れます。したがって、エミッタ電流はベース電流とコレクタ電流の合計であると考えることができます。次のように表すことができます。

I _E = I _B + I _C

トランジスタが回路に接続されている場合、入力と出力の両方に2つ、合計4つの端子またはリードまたはレッグが必要です。トランジスタには端子が3つしかないことがわかっているので、この状況は、端子の1つを入力セクションと出力セクションの両方に共通にすることで克服できます。したがって、トランジスタは次の3つの構成で接続できます。

• 共通ベース構成
• エミッタ接地構成
• 共通コレクタ構成

以下は、トランジスタの動作について注意すべきいくつかの重要なポイントです。

• トランジスタは、アクティブ、飽和、カットオフの3つの領域で動作できます。

• トランジスタをアクティブ領域で使用すると、ベース-エミッタ接合は順方向にバイアスされ、コレクタ-ベース接合は逆方向にバイアスされます。

• 飽和領域で使用されるトランジスタの場合、ベース-エミッタ接合は順方向にバイアスされ、コレクタ-ベース接合も順方向にバイアスされます。

• カットオフ領域で使用されるトランジスタは、ベース-エミッタ接合とコレクタ-ベース接合の両方が逆バイアスされます。

トランジスタ構成の比較

次の表に、トランジスタ構成の比較を示します。

特徴	エミッタ接地	共通ベース	共通コレクター
現在のゲイン	高い	番号	かなりの
アプリケーション	可聴周波数	高周波	インピーダンス整合
入力抵抗	低	低	すごく高い
出力抵抗	高い	すごく高い	低
電圧利得	約 500	約 150	1未満

トランジスタの長所と短所

次の表に、トランジスタの長所と短所を示します。

利点	短所
低電源電圧	温度依存性
高電圧ゲイン	より低い消費電力
サイズが小さい	低入力インピーダンス

現在の増幅率（α）

ベース電圧に対する一定のコレクターでのエミッター電流の変化に対するコレクター電流の変化の比率 V_cb 電流増幅率として知られています ‘α’。それは次のように表現できます

$ \ alpha = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $ at Constant V _CB

電流増幅率が1未満であり、ベースが低濃度にドープされて薄いと見なされるベース電流に反比例することは明らかです。

ベース電流増幅率（β）

これは、ベース電流の変化に対するコレクタ電流の変化の比率です。ベース電流のわずかな変動により、コレクタ電流が非常に大きく変化します。したがって、トランジスタは電流利得を達成することができます。それは次のように表現できます

$$ \ beta = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $$

増幅器としてのトランジスタ

次の図は、負荷抵抗（R _L）がコレクタ電源電圧（V _cc）と直列になっていることを示しています。小さな電圧変化ΔV_i エミッタとベースの間で、比較的大きなエミッタ電流の変化が発生します ΔI_E。

収集されて通過する記号「a」（この現在の変化の一部）で定義します R_L。負荷抵抗両端の出力電圧の変化ΔV_o = a’RL ΔI_E入力電圧ΔVで何度も変更することも_I。このような状況では、電圧増幅A == V_O/ΔV_I は1より大きくなり、トランジスタは増幅器として機能します。

電界効果トランジスタ（FET）は、3端子の半導体デバイスです。その動作は、制御された入力電圧に基づいています。外観上、JFETとバイポーラトランジスタは非常に似ています。ただし、BJTは電流制御デバイスであり、JFETは入力電圧によって制御されます。最も一般的には2種類のFETが利用可能です。

• 接合型電界効果トランジスタ（JFET）
• 金属酸化物半導体FET（IGFET）

接合型電界効果トランジスタ

接合型電界効果トランジスタの機能は、多数キャリア（電子または正孔）の流れにのみ依存します。基本的に、JFETはN タイプまたは P側面にPN接合を含むタイプのシリコンバー。以下は、FETについて覚えておくべきいくつかの重要なポイントです。

• Gate−拡散または合金化技術を使用することにより、N型バーの両側が高濃度にドープされてPN接合が作成されます。これらのドープ領域はゲート（G）と呼ばれます。

• Source −これは、半導体バーに入る多数キャリアのエントリポイントです。

• Drain −これは、半導体バーを出る多数キャリアの出口点です。

• Channel −これは、多数キャリアがソースからドレインに通過するNタイプの材料の領域です。

フィールド半導体デバイスで一般的に使用されるJFETには2つのタイプがあります。 N-Channel JFET そして P-Channel JFET。

NチャネルJFET

P型基板上にN型材料の薄層が形成されています。次の図は、NチャネルJFETの結晶構造と回路図記号を示しています。次に、ゲートがNチャネルの上部にPタイプの材料で形成されます。チャネルとゲートの端にリード線が接続されており、基板は接続されていません。

DC電圧源がJFETのソースとドレインリードに接続されている場合、最大電流がチャネルを流れます。同じ量の電流がソース端子とドレイン端子から流れます。チャネル電流の流れ量は、_VDDの値とチャネルの内部抵抗によって決まります。

JFETのソース-ドレイン抵抗の典型的な値はかなり数百オームです。ゲートが開いている場合でも、チャネル内で全電流伝導が発生することは明らかです。基本的に、IDに印加されるバイアス電圧の量は、JFETのチャネルを通過する電流キャリアの流れを制御します。ゲート電圧のわずかな変化で、JFETは完全導通状態とカットオフ状態の間のどこでも制御できます。

PチャネルJFET

N型基板上にP型材料の薄層が形成されています。次の図は、NチャネルJFETの結晶構造と回路図記号を示しています。ゲートは、Pチャネルの上部にN型材料で形成されています。チャネルとゲートの端には、リード線が取り付けられています。残りの構造の詳細は、NチャネルJFETのそれと同様です。

通常、一般的な動作では、ゲート端子はソース端子に対して正になります。PN接合空乏層のサイズは、逆バイアスされたゲート電圧の値の変動に依存します。ゲート電圧のわずかな変化で、JFETは完全導通状態とカットオフ状態の間のどこでも制御できます。

JFETの出力特性

JFETの出力特性は、次の図に示すように、一定のゲートソース電圧（V _GS）でのドレイン電流（I _D）とドレインソース電圧（V _DS）の間に引き込まれます。

最初、ドレイン電流（I _D）はドレインソース電圧（V _DS）とともに急速に上昇しますが、ピンチオフ電圧（V _P）と呼ばれる電圧で突然一定になります。ピンチオフ電圧を超えると、チャネル幅が非常に狭くなり、非常に小さなドレイン電流が流れるようになります。したがって、ドレイン電流（I _D）はピンチオフ電圧を超えても一定に保たれます。

JFETのパラメータ

JFETの主なパラメータは次のとおりです。

• ACドレイン抵抗（Rd）
• Transconductance
• 増幅率

AC drain resistance (R_d)-それは、ドレインソース間電圧（ΔVの変化の比である_DSドレイン電流（ΔIの変化に対する）_D一定のゲート-ソース電圧で）。次のように表すことができます。

Rの_D =（ΔV _DS）/（ΔI _D）定数Vにおける_GS

Transconductance (g_fs)-それは、ドレイン電流（ΔIの変化の比である_Dゲートソース電圧（ΔVの変化）_GS一定のドレイン-ソース電圧で）。次のように表すことができます。

G _FS =（ΔI _D）/（ΔV _GS定数Vで）_DS

Amplification Factor (u)-それは、ドレイン-ソース電圧（ΔVの変化の比である_DSゲート・ソース電圧の変化（ΔV）は_GS）一定のドレイン電流（ΔI _D）。次のように表すことができます。

U =（ΔV _DS）/（ΔV _GS定数Iで）_D

JFETにバイアスをかけるために使用されている2つの方法があります：自己バイアス法と分圧器法です。この章では、これら2つの方法について詳しく説明します。

自己バイアス法

次の図は、nチャネルJFETのセルフバイアス方式を示しています。ドレイン電流が流れますR_s必要なバイアス電圧を生成します。したがって、R_s はバイアス抵抗です。

したがって、バイアス抵抗の両端の電圧は、

$$ V_s = I_ {DRS} $$

ご存知のように、ゲート電流は無視できるほど小さく、ゲート端子はDCグランドにあり、V _G = 0、

$$ V_ {GS} = V_G-V_s = 0-I_ {DRS} $$

または$ V_ {GS} = -I_ {DRS} $

V _GSは、ソースに対してゲートを負に保ちます。

分圧器方式

次の図は、JFETにバイアスをかける分圧器の方法を示しています。ここで、抵抗R ₁及びR ₂ドレイン電源電圧（V横切る形分圧器回路_DD）、そしてそれは、多かれ少なかれ同一のトランジスタバイアスで使用されるものです。

Rの両端の電圧_2が必要なバイアスを提供します-

$$ V_2 = V_G = \ frac {V_ {DD}} {R_1 + R_2} \ times R_2 $$

$ = V_2 + V_ {GS} + I_D + R_S $

または$ V_ {GS} = V_2-I_ {DRS} $

回路は_VGSが常に負になるように設計されています。動作点は、次の式を使用して求めることができます。

$$ I_D = \ frac {V_2-V_ {GS}} {R_S} $$

および$ V_ {DS} = V_ {DD} -I_D（R_D + R_S）$

Metal-oxide semiconductor field-effect transistorsMOSFETとしても知られる、はより重要であり、FETファミリに新たに追加されました。

それは、2つの高濃度にドープされたN型ゾーンが拡散された低濃度にドープされたP型基板を持っています。このデバイスのユニークな特徴は、そのゲート構造です。ここでは、ゲートはチャネルから完全に絶縁されています。ゲートに電圧が印加されると、静電荷が発生します。

この時点では、デバイスのゲート領域に電流を流すことはできません。また、ゲートはデバイスの領域であり、金属でコーティングされています。一般的に、二酸化ケイ素はゲートとチャネルの間の絶縁材料として使用されます。このため、別名insulated gate FET。広く使用されているMOSFETは2つあります。i）空乏MOSFET ii）エンハンスメントMOSFET。

D MOSFET

次の図は、nチャネルD-MOSFETと記号を示しています。ゲートは、一方のプレートとしてゲートを有するコンデンサを形成し、他方のプレートは、SiO有するチャネルである₂誘電体層として。ゲート電圧が変化すると、コンデンサの電界が変化し、それによってnチャネルの抵抗が変化します。

この場合、ゲートに正または負の電圧を印加できます。MOSFETが負のゲート電圧で動作する場合はデプレッションモードと呼ばれ、正のゲート電圧で動作する場合はMOSFETのエンハンスメントモードと呼ばれます。

枯渇モード

次の図は、空乏動作モードでのnチャネルD-MOSFETを示しています。

その動作は次のとおりです-

• ゲートが負であり、の電子をはじくため、ほとんどの電子はゲートで利用できます。 n チャネル。

• このアクションにより、チャネルの一部に陽イオンが残ります。言い換えれば、の自由電子のいくつかnチャネルが使い果たされています。その結果、電流伝導に利用できる電子の数が少なくなります。n チャネル。

• ゲートの負電圧が大きいほど、ソースからドレインへの電流は少なくなります。したがって、ゲートの負電圧を変化させることにより、nチャネルの抵抗とソースからドレインへの電流を変化させることができます。

エンハンスメントモード

次の図は、エンハンスメントモードの動作下でのnチャネルDMOSFETを示しています。ここで、ゲートはコンデンサとして機能します。ただし、この場合、ゲートは正です。それはの電子を誘発しますn チャネルと電子の数は、 n チャネル。

正のゲート電圧は、チャネルの導電率を向上または増加させます。ゲートの正電圧が大きいほど、ソースからドレインへの伝導が大きくなります。

したがって、ゲートの正の電圧を変化させることにより、nチャネルの抵抗とソースからドレインへの電流を変更できます。

D –MOSFETの伝達特性

次の図は、D-MOSFETの伝達特性を示しています。

V場合_GSは負になり、I _Dは、 Iの値を下回る_DSSそれがゼロに達するとまで、V _GS = V _GS（OFF）（枯渇モード）。場合V _GSはI、ゼロである_D = I _DSSゲートおよびソース端子が短絡されているからです。I _Dは、 Iの値を超えて増加_DSS V場合、_GSは正であり、MOSFETはエンハンスメントモードです。

オペアンプ、またはオペアンプは、高入力インピーダンスと低出力インピーダンスを備えた非常に高ゲインの差動アンプです。オペアンプは通常、電圧振幅の変化、発振器、フィルタ回路などを提供するために使用されます。オペアンプには、非常に高い電圧ゲインを実現するために、いくつかの差動アンプ段が含まれる場合があります。

これは、出力と入力を直接結合する高ゲイン差動アンプです。これは、DCおよびAC操作に適しています。オペアンプは、さまざまな数学的演算に加えて、計装デバイス、信号発生器、アクティブフィルタなどの多数の電子機能を実行します。この用途の広いデバイスは、電圧コンパレータ、アナログ-デジタルコンバータ、デジタル-アナログコンバータ、対数増幅器、非線形関数発生器など、多くの非線形アプリケーションでも使用されます。

基本的な差動アンプ

次の図は、基本的な差動アンプを示しています。

上の図では-

• V_DI =差動入力

• V_DI= V ₁ – V ₂

• V_DO =差動出力

• V_DO= V _C1 -V _C2

この増幅器は、2つの入力信号、V差増幅₁及びV ₂。

差動電圧ゲイン、

$$ A_d = \ frac {V_ {DO}} {V_ {DI}} $$

そして

$$ A_d = \ frac {（V_ {C1} -V_ {C2}）} {V_ {DI}} $$

次の図に示すように、基本的なオペアンプは3つのステージで構成されています。

入力ステージ

これは最初の段階であり、次の特徴があります。

• 高CMR（コモンモード除去）
• 高入力インピーダンス
• 広い帯域幅
• 低（DC）入力オフセット

これらは、オペアンプの性能にとって重要な特性です。このステージは差動アンプステージで構成され、トランジスタは定電流源として機能するようにバイアスされています。定電流源は、差動アンプのCMRを大幅に向上させます。

以下は、差動アンプへの2つの入力です。

• V ₁ =非反転入力
• V ₂ =反転入力

中間段階

これは第2段階であり、電圧と電流のゲインを向上させるように設計されています。電流ゲインは、オペアンプの電力の大部分が生成される出力段を駆動するのに十分な電流を供給するために必要です。このステージは、1つまたは複数の差動アンプとそれに続くエミッタフォロワおよびDCレベルシフトステージで構成されます。レベルシフト回路により、アンプは1つの出力で2つの差動入力を持つことができます。

V out = + ve	V 1 > V 2
V out = -ve	場合V 2 <V 1
V出力= 0	V 1 = V 2

出力段

これはオペアンプの最終段であり、出力インピーダンスが低くなるように設計されています。これにより、負荷を駆動するために必要な電流が供給されます。負荷が変化すると、出力段から多かれ少なかれ電流が流れます。したがって、前段は出力負荷の影響を受けずに動作することが重要です。この要件は、入力インピーダンスが高く電流ゲインが高くなるようにこのステージを設計することで満たされますが、出力インピーダンスは低くなります。

オペアンプには2つの入力があります。 Non-inverting input そして Inverting input。

上図は反転タイプのオペアンプです。反転入力端子に印加された信号は増幅されますが、出力信号は入力信号と180度位相がずれています。非反転入力端子に印加された信号は増幅され、出力信号は入力信号と同相になります。

オペアンプは多数の回路に接続して、さまざまな動作特性を提供できます。

反転増幅器

次の図は、反転増幅器を示しています。入力信号は増幅され、反転されます。これは最も広く使用されている定ゲインアンプ回路です。

V _o = -R _f .V _in / R ₁

電圧ゲインA =（-R _f / R ₁）

非反転アンプ

次の図は、非反転増幅器または定ゲイン乗算器として機能し、周波数安定性が優れているオペアンプ回路を示しています。

入力信号は増幅されますが、反転されません。

出力V _O = [（R ₁ + Rの_F）/ R ₁ ] V ₁

電圧ゲインA =（R ₁ + R _f）/ R ₁

反転加算アンプ

次の図は、反転加算増幅器を示しています。これは、オペアンプで最も使用されている回路です。この回路は、3入力の加算増幅器を示しています。これは、それぞれが一定のゲイン係数で乗算された3つの電圧を代数的に加算する手段を提供します。出力電圧は次のように表されます。

V _o = [（-R ₄ / R ₁）V ₁ ] [（-R ₄ / R ₂）V ₂ ] [（-R ₄ / R ₃）V ₃ ]

V _o = -R ₄（V ₁ / R ₁ + V ₂ / R ₂ + V ₃ / R ₃）

の場合、R ₁ = R ₂ = R ₃ = R ₄ = R＆R _s = R / 3

V _o =-（V ₁ + V ₂ + V ₃）

次の図は、使用されるフィードバックコンポーネントがコンデンサであり、結果として得られる接続が積分器と呼ばれることを示しています。

仮想接地の等価物は、入力と出力の間の電圧の式が、入力から出力への電流（I）に関して導出できることを示しています。我々はRとXの接続点の電圧を考慮することができる仮想接地手段はリコール_Cは、（Vので、接地されるべき_Iが電流がその時点で地面に進め≈0 V）。容量性インピーダンスは次のように表すことができます。

$$ X_C = \ frac {1} {jwC} = \ frac {1} {sC} $$

どこ s=ラプラス表記のようにjw。$ V_o / V_i $の方程式を解くと、次の方程式が得られます。

$$ I = \ frac {V_1} {R_1} = \ frac {-V_0} {X_c} = \ frac {-\ frac {V_0} {I}} {sC} = \ frac {V_0} {V_1} $$

$$ \ frac {V_0} {V_1} = \ frac {-1} {sCR_1} $$

時間領域で次のように記述できます。

$$ V_o（t）=-\ frac {1} {RC} \ int V_1（t）dt $$

次の図に微分回路を示します。

微分器は有用な動作を提供し、回路の結果として生じる関係は次のとおりです。

V _o（t）= RC（dv1（t）/ dt

以下は、オペアンプのいくつかの重要なパラメータです。

開ループ電圧利得（AVOL）

オペアンプの開ループ電圧ゲインは、負帰還が使用されていない条件下での差動ゲインです。AVOLの範囲は74dbから100dbです。

AVOL = [V _o /（V ₁ – V ₂）]

出力オフセット電圧（VOO）

オペアンプの出力オフセット電圧は、差動入力電圧がゼロのときの出力電圧です。

同相信号除去（CMR）

両方の入力が同じ電位にあり、差動入力がゼロの場合、および出力がゼロの場合、オペアンプは良好な同相信号除去比を持っていると言われます。

コモンモードゲイン（AC）

オペアンプのコモンモードゲインは、コモンモード入力電圧に対するコモンモード出力電圧の比率です。

微分ゲイン（AD）

オペアンプの差動ゲインは、出力と差動入力の比率です。

Ad = [V _o /（V ₁）-V ₂ ]

同相信号除去比（CMRR）

オペアンプのCMRRは、閉ループ差動ゲインとコモンモードゲインの比として定義されます。

CMRR = Ad / AC

スルーレート（SR）

スルーレートは、ステップ入力電圧によって引き起こされる出力電圧の変化率です。理想的なスルーレートは無限大です。つまり、オペアンプの出力は入力ステップ電圧に応じて瞬時に変化する必要があります。

微分器、積分器、加算増幅器など、オペアンプのいくつかのアプリケーションについてはすでに説明しました。オペアンプのその他の一般的なアプリケーションは次のとおりです。

• 対数増幅器
• ジャイレータ（インダクタンスシミュレータ）
• DCおよびAC電圧フォロワ
• アナログ-デジタルコンバーター
• デジタル-アナログコンバーター
• 過電圧保護用電源
• 極性インジケーター
• ボルテージフォロワー
• アクティブフィルター

発振器は、次のように知られている正弦波振動を生成する電子回路です。 sinusoidal oscillator。これは、DCソースからの入力エネルギーを特定の周波数で周期波形のAC出力エネルギーに変換します。これは既知の振幅です。発振器の特徴は、AC出力を維持することです。

次の図は、外部から入力信号が印加されていない場合でもフィードバック信号のあるアンプを示しています。正弦波発振器は本質的にフィードバック増幅器の一種であり、電圧利得に特別な要件が課せられますA_v およびフィードバックネットワーク β。

フィードバック電圧V上図の帰還増幅器考える_F =βV _Oは、全入力電圧を供給します

$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ （1）

$ V_i = A_V \ beta V_i $または$（1-A_V \ beta）V_i = 0 $ （2）

出力電圧を生成する場合、入力電圧をゼロにすることはできません。したがって、V _iが存在するためには、式（2）は次のことを要求します。

$（1-A_V \ beta）= 0 $または$ A_V \ beta = 1 $ （3）

式（3）は次のように知られています “Barkhausen criterion”、これは振動の2つの基本的な要件を述べています-

• ループゲインと呼ばれる、アンプとフィードバックループの周囲の電圧ゲインは、1、つまり$ A_V \ beta = 1 $である必要があります。

• ループ位相シフトと呼ばれる$ V_i $と$ V_f $の間の位相シフトは、ゼロでなければなりません。

これら2つの条件が満たされると、上図のフィードバックアンプは一貫して正弦波出力波形を生成します。

ここで、いくつかの典型的な発振回路について詳しく説明しましょう。

位相シフト発振器

フィードバック回路の基本的な進歩に従う発振回路は、位相シフト発振器です。次の図に、位相シフト発振器を示します。発振の要件は、ループゲイン（βA）が1より大きく、入力と出力の間の位相シフトが360 ^{°であること}です。

フィードバックは、RCネットワークの出力からアンプ入力に戻されます。オペアンプアンプ段は最初の180度シフトを提供し、RCネットワークは追加の位相シフトを導入します。特定の周波数では、ネットワークによって導入される位相シフトは正確に180度であるため、ループは360度になり、フィードバック電圧は位相入力電圧になります。

各セクションが60度の位相シフトを提供するため、フィードバックネットワークのRCステージの最小数は3です。RC発振器は、数サイクルから約100KHzまでの可聴周波数の範囲に最適です。より高い周波数では、ネットワークインピーダンスが非常に低くなるため、アンプに深刻な負荷がかかる可能性があり、その結果、電圧ゲインが必要な最小値を下回り、発振が停止します。

低周波数では、通常、負荷の影響は問題にならず、必要な大きな抵抗と静電容量の値をすぐに利用できます。基本的なネットワーク分析を使用すると、周波数振動は次のように表すことができます。

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$

ウィーンブリッジ発振器

実際の発振器回路は、オペアンプとRCブリッジ回路を使用し、発振器周波数は R そして Cコンポーネント。次の図は、ウィーンブリッジ発振回路の基本バージョンを示しています。

基本的なブリッジ接続に注意してください。抵抗R ₁とR ₂とコンデンサC ₁及びC ₂形態周波数調整素子、抵抗Rながら₃及びR ₄のフィードバック経路の一部を形成します。

このアプリケーションでは、ブリッジへの入力電圧（V _i）はアンプの出力電圧であり、ブリッジの出力電圧（V _o）はアンプの入力にフィードバックされます。オペアンプの入力インピーダンスと出力インピーダンスの負荷効果を無視すると、ブリッジ回路の分析は次のようになります。

$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$

そして

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$

もしR ₁ = R ₂ = R及びC ₁ = C ₂ = C、得られた発振周波数であります

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$

ハートレー発振器

次の図は、ハートレー発振器を示しています。これは最も一般的なRF回路の1つです。通常、通信放送受信機の局部発振器として使用されます。エミッタ共通接続バイポーラ接合トランジスタは、電圧増幅器であり、そしてRからなるユニバーサルバイアス回路によってバイアスされている₁、R ₂、R _E。エミッタバイパスコンデンサ（C _E）は、この単一トランジスタ段の電圧利得を増加させます。

コレクタ回路の無線周波数チョーク（RFC）は、RF周波数で開回路として機能し、RFエネルギーが電源に入るのを防ぎます。タンク回路は、L ₁、L ₂、およびCで構成されます。発振周波数は、L ₁、L ₂、およびCの値によって決定され、LCタンク回路の共振周波数での発振によって決定されます。この共振周波数は次のように表されます。

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$

負荷が大きく、発振周波数に影響がない場合は、容量結合によりコレクタから出力信号を取り出すことができます。

圧電性

圧電特性は、多くの天然結晶物質によって示されますが、その中で最も重要なものは、石英、ロッシェル塩、およびトルマリンです。これらの材料に正弦波電圧が印加されると、印加電圧周波数で振動します。

一方、これらの材料が圧縮され、機械的ひずみを受けて振動すると、同等の正弦波電圧が生成されます。したがって、これらの材料は圧電結晶と呼ばれます。クォーツは最も人気のある圧電結晶です。

水晶発振器

水晶発振器の回路図を次の図に示します。

ここでの水晶は同調回路として機能します。水晶の等価回路を以下に示します。

水晶発振器には、直列共振周波数と並列共振周波数の2つの共振周波数があります。

直列共振周波数

$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$

並列共振周波数

$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$

C / Cmが非常に小さいため、2つの共振周波数はほぼ同じです。上の図では、水晶は並列共振モードで動作するように接続されています。

抵抗R ₁ R、₂、R _E、およびトランジスタが共に増幅回路を形成します。抵抗R ₁及びR _2は、電圧がDCバイアスを安定提供します。コンデンサ（C _E）はエミッタ抵抗（R _E）のACバイパスを提供し、RFCは発振器によって生成された周波数に対して高インピーダンスを提供するため、それらは電力線に入りません。

結晶は、コンデンサCと並列である₁とC ₂と、そのインピーダンスが最大であるとき、コレクタからエミッタに最大電圧フィードバックを可能にします。他の周波数では、水晶のインピーダンスが低いため、結果として生じるフィードバックは小さすぎて発振を維持できません。発振器周波数は、水晶の並列共振周波数で安定します。

バイアスネットワークの基本的な目的は、回路の動作点でコレクタ-ベース-エミッタの電圧と電流の関係を確立することです（動作点は、静止点、Q点、無信号点、アイドル点とも呼ばれます。または静的ポイント）。トランジスタがこのQポイントで動作することはめったにないため、基本的なバイアスネットワークは一般に設計の基準または開始点として使用されます。

実際の回路構成、特にバイアスネットワークの値は、動的な回路条件（必要な出力電圧振幅、予想される入力信号レベルなど）に基づいて選択されます。目的の動作点が確立されると、バイアスネットワークの次の機能は次のようになります。この時点でアンプ回路を安定させます。基本的なバイアスネットワークは、温度と電源の変化、およびトランジスタの交換の可能性がある場合でも、望ましい電流関係を維持する必要があります。

場合によっては、周波数の変化やコンポーネントによって引き起こされる変化も、バイアスネットワークによって相殺する必要があります。このプロセスは、一般にバイアス安定化と呼ばれます。適切なバイアス安定化により、アンプ回路が（実用的な制限内で）目的の動作点に維持され、熱暴走が防止されます。

安定係数「S」

これは、βとV _BEを一定に保ちながら、逆飽和電流に対するコレクタ電流の変化率として定義されます。それは次のように表されます

$$ S = \ frac {\ mathrm {d} I_c} {\ mathrm {d} I_c} $$

バイアス安定化方法

動作点を温度変化やトランジスタのパラメータの変動から独立させる方法は、 stabilization。ソリッドステートアンプのバイアス安定化を提供するためのいくつかのスキームがあります。これらのスキームはすべて、ある種のネガティブフィードバックを伴います。つまり、トランジスタ電流のどの段階でも、対応する電圧または電流の変化が発生し、初期の変化と釣り合う傾向があります。

負帰還を生成するには、逆電圧フィードバックと逆電流フィードバックの2つの基本的な方法があります。

逆電圧フィードバック

次の図は、基本的な逆電圧バイアスネットワークを示しています。エミッタ-ベース接合が順方向Rの接続点の電圧によってバイアスされている₁及びR ₂。ベース-コレクタ接合は、コレクタとベースの電圧差によって逆バイアスされます。

通常、抵抗結合増幅器のコレクタは、コレクタとベースの間に接続された電源抵抗（R ₃）の約半分の電圧にあります。コレクタ電圧は正であるため、この電圧の一部はベースにフィードバックされ、順方向バイアスをサポートします。

エミッタ-ベース接合の通常の（またはQポイント）順バイアスは、エミッタとベース間のすべての電圧の結果です。コレクタ電流が増加するように、大きな電圧降下がRを横切って生成される_L。結果として、コレクタの電圧はRを介してベースに電圧フィードバックを減少、低下₃。これにより、エミッタ-ベースの順方向バイアスが減少し、エミッタ電流が減少し、コレクタ電流が通常の値に低下します。コレクタ電流が最初に減少すると、逆の動作が発生し、コレクタ電流が通常の（Qポイント）値に上昇します。

増幅器内のあらゆる形式の負または逆フィードバックは、増幅される信号によって生成されるものでさえ、すべての変化に対抗する傾向があります。この逆フィードバックまたは負のフィードバックは、望ましくない変化だけでなく、ゲインを低下させて安定させる傾向があります。フィードバックによってゲインを安定させるこの原理は、多かれ少なかれすべてのタイプのアンプで使用されています。

逆電流フィードバック

次の図は、NPNトランジスタを使用した特徴的な逆電流（エミッタ-フィードバック）バイアスネットワークを示しています。ソリッドステートアンプでは、電圧フィードバックよりも電流フィードバックが一般的に使用されます。これは、トランジスタが電圧動作デバイスではなく、主に電流動作デバイスであるためです。

バイアス回路でのエミッタ-フィードバック抵抗の使用は、次のように要約できます。ベース電流は、ベースとエミッタ間の電圧差に依存します。差動電圧を下げると、流れるベース電流が少なくなります。

差が大きくなると、逆になります。コレクターを流れるすべての電流。電圧はエミッタ抵抗の両端で降下するため、完全には依存しません。コレクタ電流が増加すると、エミッタ電流とエミッタ抵抗両端の電圧降下も増加します。この負帰還は、ベースとエミッタ間の差を減少させる傾向があるため、ベース電流が低下します。次に、ベース電流が低くなるとコレクタ電流が減少する傾向があり、初期コレクタ電流が増加するのを相殺します。

バイアス補償

ソリッドステートアンプでは、特定のアプリケーションで信号ゲインの損失が許容できない場合、動作点のドリフトを減らすために補償技術がよく使用されます。最大のバイアスと熱安定化を提供するために、補償と安定化の両方の方法を一緒に使用することができます。

次の図は、ダイオード補償と自己バイアス安定化の両方を利用したダイオード補償技術を示しています。ダイオードとトランジスタの両方が同じタイプである場合、それらは回路全体で同じ温度係数を持ちます。ここでは、ダイオードは順方向にバイアスされています。与えられた回路のKVLは次のように表すことができます-

$$ I_c = \ frac {\ beta [V-（V_ {BE} --V_o）] +（Rb + Rc）（\ beta + 1）ICO} {Rb + Rc（1 + \ beta）} $$

上記の式から、$ V_ {BE} $はVOwrt温度に従い、Icは$ V_ {BE} $の変動に影響を与えないことが明らかです。これは、$ V_ {BE} $の変動によるトランジスタの動作点を処理するための効果的な方法です。

温度補償装置

また、温度に敏感なデバイスを使用して、トランジスタの内部特性の変動を補正することもできます。サーミスタの温度係数は負です。つまり、温度が上昇すると、その抵抗は指数関数的に減少します。次の図は、サーミスタ（R _T）を使用して、温度による$ V_ {BE} $、ICO、またはβの変化によるコレクタ電流の増加を低減する回路を示しています。

ときに温度が上昇すると、R _Tは減少し、電流がRを介して供給_T Rに_Eが増加します。R _Eの両端の動作電圧降下は、トランジスタを逆バイアスするために反対方向にあります。R _Tは、温度の上昇によって増加するICの増加を補償する傾向があるように機能します。