トランジスタとは？ 10分でわかりやすく解説

写真の出典：UnsplashのAxel Richterが撮影した写真

スマートフォンやパソコンが正常に動かないとき、その原因の一つとして、内部で使うトランジスタの不具合が関わることがあります。トランジスタは、電気を増幅したり、電流のオンとオフを切り替えたりする部品です。いまの機器や半導体チップは、この部品なしでは成り立ちません。

この記事では、トランジスタの役目、しくみ、主な種類、使われ方、故障時の見方、歴史、微細化が進んだ今の課題までを順に見ていきます。しくみを知っておくと、機器がどう動くかをつかみやすくなり、トラブルシューティングでも見当を付けやすくなります。

トランジスタとは

何をする部品か

トランジスタは、いまの機器で広く使われている半導体の部品です。主な役目は二つあります。ひとつは小さな信号を大きくすること、もうひとつは電流を流すか止めるかを切り替えることです。小さく作れて、たくさん並べても場所を取りにくいため、スマートフォン、パソコン、通信の機器、家電まで幅広く使われています。

どう動くか

代表的なバイポーラトランジスタは、エミッタ、ベース、コレクタの三つの端子を持ちます。ベースに流す小さな電流をきっかけにして、エミッタとコレクタの間を流れる、より大きな電流を調整します。この性質によって、信号を大きくしたり、電流を切り替えたりできます。

一方、FETでは、ゲートに加える電圧で電流の通り道の開き方を変え、ソースとドレインの間を流れる電流を調整します。バイポーラトランジスタが電流をきっかけに動くのに対し、FETは電圧をきっかけに動く点が大きな違いです。

主な種類

バイポーラトランジスタ

バイポーラトランジスタは、ベース電流でコレクタ電流を調整する方式です。やや大きな電流を扱いやすく、音を大きくする回路や一部の高速な回路で使われます。ただし、入力側にもある程度の電流が必要です。

FETとMOSFET

FETは、入力側へほとんど電流を流さずに使える点が特徴です。その代表例がMOSFETです。MOSFETは電力を抑えやすく、たくさん並べて使う回路と相性がよいため、CPUやメモリなどの半導体チップで広く使われています。

同じトランジスタでも、得意な使い方は異なります。どちらがよいかは、回路で何を重視するかで決まります。

どこで使うか

信号を大きくする

トランジスタは、音声や電波のような弱い信号を扱いやすい大きさまで引き上げるために使われます。たとえば、マイクで拾った小さな音の信号や、アンテナで受けた弱い信号を後段の回路で扱えるようにします。

スイッチとして使う

トランジスタは、電流を流すか止めるかをすばやく切り替える部品としても重要です。コンピュータの中では、この切り替えを大量に繰り返すことで、計算や記憶の処理を進めています。

ICの中で大量に使う

ICは、多数のトランジスタを一枚の小さなチップへまとめたものです。CPU、メモリ、センサー、通信の機器、家電の制御用の回路まで、ほとんどの機器がこの形でトランジスタを使っています。

大きな電力を扱う場面でも使う

トランジスタは、電力を変えたり制御したりする回路でも使われます。モータの制御、スイッチング電源、インバータなどでは、耐圧や流せる電流の大きさが大きいパワートランジスタが使われます。EVや再エネの分野でも重要な部品です。

故障したときの見方

よくある症状

トランジスタが故障すると、回路の役目に応じて症状が変わります。

• 音を大きくする回路では、音が出ない、音が極端に小さい、ひずみが大きい
• スイッチ回路では、常にオンのまま、または常にオフのままで切り替わらない
• 電源用の回路では、電圧が立ち上がらない、異常に高い、不安定になる

こうした症状は他の部品でも起こりますが、トランジスタが原因の一つになっていることがあります。

確認の進め方

• データシートで端子の並びと定格を確認する
• マルチメータのダイオード測定などで端子間の状態を見る
• 回路を動かした状態で各端子の電圧を確認する
• 疑わしい部品を同じ型番の正常品に替え、症状が変わるかを見る

実際の切り分けには回路図の理解や測定器の扱いが欠かせません。ただ、トランジスタがどんな役目を持つかを知っておくと、原因の当たりを付けやすくなります。

歴史

真空管からの置き換え

トランジスタが広まる前は、信号を大きくしたり制御したりする役目を真空管が担っていました。真空管は大きく、電力を多く使い、熱も出やすいという弱点がありました。

1947年、ベル研究所でジョン・バーディーンとウォルター・ブラッテンが最初の動作を示し、その後ウィリアム・ショックレーも含めた三人がトランジスタの発明で広く知られるようになりました。トランジスタは小さく、電力を抑えやすく、機器の小型化を大きく後押ししました。

ICの登場とムーアの法則

1958年にはジャック・キルビー、1959年にはロバート・ノイスがICの実用化につながる発明を示し、たくさんのトランジスタを一つのチップへまとめる流れが進みました。

1965年にゴードン・ムーアが示した見通しは、のちにムーアの法則と呼ばれるようになりました。一般には、チップ上のトランジスタ数が、およそ二年ごとに倍になるという経験則として知られています。

微細化と今の課題

微細化で何が起きたか

トランジスタを小さくしていくと、同じ面積の中へ、より多くの素子を置けます。その結果、処理の速さを上げたり、使う電力を下げたりしやすくなりました。

ただし、近年の「5nm」「3nm」といった呼び方は、トランジスタのゲート長そのものをそのまま示すとは限りません。製造プロセスの世代名として使われる場合が多く、実際の寸法は別に見る必要があります。

リーク電流と短チャネル効果

素子が小さくなるほど、オフのはずなのに流れてしまう電流や、電流の切れが悪くなる現象が問題になりやすくなります。こうした現象は、発熱や無駄な電力、動きの不安定さにつながります。

この対策として、ゲート絶縁膜の材料を見直したり、回路側で不要な部分の電源やクロックを止めたりする工夫が進んできました。モバイル機器やIoT機器では、とくに重要な論点です。

FinFETからGAAへ

平面型のMOSFETでは小型化が進むにつれて電流の制御が難しくなり、そこでFinFETが広く使われるようになりました。FinFETは、チャネルをひれのような形に立ち上げ、ゲートで三方から包む構造です。

さらに先の世代では、GAAが有力な候補になっています。GAAはチャネルを全方向から取り囲む形に近く、より細かく電流を制御しやすい構造です。FinFETやGAAは、短チャネル効果を抑えながら性能を上げるための工夫として重要です。

材料と信頼性の課題

小型化が進むほど、製造ばらつき、時間とともに進む劣化、高温や高電界による傷みが無視しにくくなります。このため、材料の見直し、製造時の条件の詰め、故障の解析、設計時の余裕の取り方がいっそう重要になっています。

また、シリコン以外の材料として、化合物を使う半導体、カーボンナノチューブ、グラフェンなども研究されています。すぐに一気に置き換わる段階ではありませんが、次の世代を支える候補として注目されています。

まとめ

トランジスタは、電気を大きくしたり、流したり止めたりする役目を持つ、回路の基礎となる部品です。バイポーラトランジスタとFETでは動き方が異なり、用途に応じて使い分けられています。

機器の進化は、トランジスタをより小さく、より多く、より安定して使えるようにしてきた歴史でもあります。今は微細化の限界、リーク電流、信頼性、新しい構造や材料への移行が大きなテーマです。

参考にした資料

• 電子情報技術産業協会編『半導体デバイス技術の基礎』
• S. M. Sze, Kwok K. Ng, "Physics of Semiconductor Devices"
• 半導体メーカー各社の技術の資料・データシート