トランジスタ — BJTとMOSFET

トランジスタは、回路のある部分が別の部分の電流を制御できるようにする素子です。BJTとMOSFETの違いを手早く比べるなら、要点はシンプルです。BJTはベース電流で制御され、MOSFETは主にゲート-ソース間電圧で制御されます。

どちらもスイッチとして動作でき、条件が合えば増幅にも使えます。違いは、制御がどのように行われるか、そして駆動回路が何を供給しなければならないかにあります。

BJTとMOSFETの違いは何ですか？

BJTには、ベース、コレクタ、エミッタの3つの端子があります。基本的には、トランジスタが適切な領域にバイアスされていれば、小さなベース電流でより大きなコレクタ-エミッタ電流を制御できます。

MOSFETには、ゲート、ドレイン、ソースの端子があります。ゲートは絶縁されているため、ゲート電圧が電界を作り、その結果としてドレインとソースの間に電流が流れるかどうかが変わります。

そのため、この違いはよく次のようにまとめられます。

• BJTは入力側に駆動電流が必要です。
• MOSFETは主に適切な入力電圧が必要です。

こうしたまとめ方は便利ですが、回路条件が想定した動作モードに合っている場合に限って成り立ちます。

BJTの直感的な理解

初学者向けの回路では、通常のNPN構成でBJTを導通させるには、ベース-エミッタ接合を順方向バイアスする必要がある、というのが基本的な考え方です。この条件が満たされると、コレクタ電流はベース電流よりかなり大きくなりえます。

能動領域では、よく使われる近似は

$$I_C \approx \beta I_B$$

です。ここで、$I_C$はコレクタ電流、$I_B$はベース電流、$\beta$は電流増幅率です。

これは直感をつかむのに役立ちますが、どこでも使える万能な近道ではありません。BJTをスイッチとして使うなら、設計目標は正確な能動領域増幅ではなく、飽和であることが多いです。

よくある混乱を避けたMOSFETの直感

エンハンスメント型MOSFETでは、重要な制御変数はゲート-ソース間電圧 $V_{GS}$ です。$V_{GS}$ が低すぎると、チャネルは弱いか、ほとんど形成されません。その素子と負荷に対して $V_{GS}$ が十分に高ければ、電流はしっかり流れます。

ゲートは絶縁されているため、通常は定常状態でほとんど電流を流しません。これが、MOSFETがデジタル回路や電力スイッチングで広く使われる理由の1つです。

初心者がよくする間違いは、しきい値電圧を「完全にオンになる電圧」と考えることです。しきい値は通常、ある試験条件で導通が始まる点を示します。それだけでは、あなたの負荷電流で低抵抗や効率のよいスイッチングができることは保証されません。

具体例：マイコンで負荷をスイッチングする

$5 \, \text{V}$ のマイクロコントローラで、$200 \, \text{mA}$ の負荷をスイッチするとします。

NPN BJTをスイッチとして使う場合、ベース抵抗が必要で、さらにトランジスタを飽和させるのに十分なベース電流も必要です。設計上の余裕として強制電流増幅率をおよそ $10$ にすると、$200 \, \text{mA}$ のコレクタ電流にはおよそ $20 \, \text{mA}$ のベース電流が必要だと見積もれます。これは、一部のマイクロコントローラのピンでは限界に近い値かもしれません。

ロジックレベルのnチャネルMOSFETをローサイドスイッチとして使う場合、制御ピンが主に供給すべきなのは連続的なゲート電流ではなく、適切なゲート電圧です。定常動作では、これは通常マイクロコントローラにとってより扱いやすい条件です。ただし重要な条件があります。そのMOSFETが、利用できるゲート電圧で十分にオンになる定格を持っていなければなりません。

この例は、実用上のトレードオフをはっきり示しています。制御信号が電圧は出せても大きな電流を出せないなら、MOSFETのほうが扱いやすいスイッチであることが多いです。電流がそれほど大きくなく、回路も単純なら、BJTでも十分に妥当です。

BJTとMOSFETはどんなときに選ばれるか

BJTは、小規模なアナログ段、教科書的な増幅回路、カレントミラー、単純なスイッチング用途でよく使われます。

MOSFETは、デジタル論理回路、パワーエレクトロニクス、電圧レギュレーション、高入力インピーダンスが役立つ回路でよく使われます。

どちらかが自動的に優れているわけではありません。適切な選択は、負荷電流、利用できる駆動信号、速度、電力損失、そして回路が主にアナログか主にスイッチングかによって決まります。

トランジスタの問題でよくある間違い

間違った場面で $I_C \approx \beta I_B$ を使う

この関係は、能動領域を考えるときに最も役立ちます。すべてのスイッチング設計で安全に使える仮定ではありません。

MOSFETのしきい値電圧を必要なオン電圧だと考える

MOSFETはしきい値を超えていても、スイッチとしては性能が不十分なことがあります。素子が低いオン抵抗に達する条件を必ず確認してください。

MOSFETのゲートが容量性であることを忘れる

定常状態ではゲート電流は通常ごく小さいですが、スイッチング中にはゲートを充電・放電する必要があります。速度が重要なときには、これは無視できません。

発熱を無視する

電流を流しながら大きな電圧降下を生じるトランジスタは、大きな電力を消費することがあります。実際の部品には熱的な限界があります。

これが物理で重要な理由

トランジスタは、半導体物理と実際のデバイスを結びつけます。BJTは接合をまたぐキャリア注入に依存し、MOSFETはチャネルを制御する電界に依存します。

この物理的なイメージがはっきりすると、回路の振る舞いはずっと恣意的ではなく感じられます。図の記号を暗記しているのではありません。電荷と電界がどのように電流を制御するかを追っているのです。

似たケースで試してみる

単純なスイッチング回路を考えるときは、まず2つの質問をしてみてください。制御源は十分に電流を供給できるか、そして素子は主にスイッチとして働く必要があるのか、それとも主に増幅器として働く必要があるのか、という点です。もう1つ練習したいなら、負荷電流を変えた自分なりの例を作り、BJTとMOSFETのどちらがより適しているか比べてみてください。