【基礎から学ぶトランジスタ】 IC－VCE特性の補足説明 ～コレクタ抵抗との関係とコレクタ飽和電圧について～

今回は、「I_C－V_CE特性」についての補足説明です。

１．トランジスタのI_C－V_CE特性の復習

復習になりますが、トランジスタのコレクタ電流I_Cとコレクタ－エミッタ間電圧V_CEの特性グラフのことを出力特性と呼びます。
出力特性は、以下のようなグラフになります。
※使用するトランジスタや接地方式によってグラフの形は異なります。

これは、ベース電流I_Bを一定に保った時のI_C－V_CE特性の関係を表したグラフです。
この特性グラフは、以下の3つの領域に分けることができます。

トランジスタを信号増幅用途で使用する場合は活性領域、スイッチ用途で使用する場合は飽和領域(スイッチONの状態)と遮断領域(スイッチOFFの状態)を使用します。

ちなみに、コレクタ－エミッタ間には抵抗成分があるため、コレクタ－エミッタ間電圧が0[V]になることはありません。
このわずかに発生する最小電圧のことをコレクタ飽和電圧V_CE(sat)と呼びます。
また、ベース電流I_Bが0[A]でも発生する漏れ電流のことをコレクタ遮断電流I_CEOと呼びます。

今回は、このI_C－V_CE特性のグラフとコレクタ抵抗R_Cの関係やコレクタ飽和電圧の補足説明などをしていきます。

２．I_C－V_CE特性とコレクタ抵抗の関係

例えば、以下のような回路を組んだとします。

トランジスタをスイッチングさせるためのV_BEを基準として交流電源をベース端子に印加し、スイッチング動作をさせる回路です。
このトランジスタのI_C－V_CE特性は以下のようになっていたとします。

トランジスタがONになっている時は、トランジスタから向かって右側の回路が繋がります。
つまり、V_CC－R_CI_C=V_CEという式が成り立ちます。

この関係を、I_C－V_CE特性グラフ上に描いてみます。
条件は、V_CC=10[V]、R_C=2[kΩ]だとします。

この線のことを負荷線と呼びます。

ここで、条件をV_CC=10[V]、R_C=1[kΩ]に変えてみた時の負荷線はどうなるかも図示してみます。

コレクタ抵抗R_Cを変化させたら、負荷線の傾きも大きく変化しましたね。
結果として、コレクタ電流I_Cとコレクタ－エミッタ間電圧V_CEとベース電流I_Bの関係性がゴッソリ変わります。

このように、負荷線を描くことでコレクタ抵抗の値による影響が見て取れるようになります。

ちなみに、負荷線においてV_CEが最大である点はコレクタ抵抗にかかる電圧が0[V]の時なので、V_CCを表しています。
演習問題にて負荷線が与えられていた場合、そこから電源電圧であるV_CCを読み取る必要があったりしますので、覚えておくと良いかと思います。

３．コレクタ飽和電圧の補足説明

負荷線を描いてみると、コレクタ飽和電圧V_CE(sat)が何を意味するのか理解しやすくなります。

ベース電流I_Bをいくら増やしてもコレクタ電流I_Cが増えなくなる領域が飽和領域でした。
以下の図で青丸で囲った辺りですね。

I_C－V_CE特性グラフを見ればわかる通り、基本的にはベース電流I_Bを大きくすればするほどコレクタ電流I_Cも大きくなり、コレクタ－エミッタ間電圧V_CEは小さくなります。
なのですが、負荷線を引いてみると特性グラフからはみ出す箇所が存在しますよね？
図8の点Aから左のことです。

点Aに関しては、ベース電流I_Bが30[μA]から40[μA]に上昇しても、コレクタ電流I_Cは変化していません。
この関係は、ベース電流I_Bが50[μA]になろうが60[μA]になろうが変わりません。

このことから、理想的には負荷線通りに各電流・電圧が偏移して欲しいのですが、この点Aから左側の特性は実際に描くことは無いことがわかります。
要するに、この場合はコレクタ－エミッタ間電圧V_CEが大体0.8～1.0[V]になり、それ以下に変化することは無いのです。
この実質的なコレクタ－エミッタ間電圧V_CEの最小値がコレクタ飽和電圧です。

「最大限度まで満たすこと。また、最大限度まで満たされていること。」を“飽和”と言います。
コレクタ電圧がこれ以上変化することは無いギリギリのラインだからコレクタ“飽和”電圧なのです。
同様に、ベース電流I_Bを大きくしてもコレクタ電流I_Cが増加しないギリギリのラインを“飽和”領域と呼んでいるのです。

４．飽和領域と遮断領域がスイッチング用途で使われる理由

トランジスタをスイッチング用途で使用する場合は、飽和領域(スイッチONの状態)と遮断領域(スイッチOFFの状態)を使用すると述べました。
ここを少し補足説明しておきます。

なんで飽和領域と遮断領域を使うのかよくわからないでしょう？

まず、飽和領域は以下のような特性を持っていると説明しました。

飽和領域におけるコレクタ－エミッタ間電圧V_CEは、先程述べた通りコレクタ飽和電圧のことです。
実質的なコレクタ－エミッタ間電圧の最小値ですね。

飽和領域なら、この最小のコレクタ－エミッタ間電圧V_CEでもコレクタ電流I_Cが流れる、トランジスタがONになるんです。
つまり、コレクタ－エミッタ間電圧V_CEを最小限に抑えて、トランジスタをONにできる領域なのです。
言い換えると、考え得る限り損失の最も少ない条件でスイッチング動作が可能なのです。
だから飽和領域はスイッチONの状態と言っていたわけです。

遮断領域は以下のような特性を持っていると説明しました。

ベース電流I_Bが0[A]ということは、ベース－エミッタ間電圧V_BEも0[V]だということです。
つまり、トランジスタはOFFになります。
ただ、実物のトランジスタだとどうしても漏れ電流が発生してしまいます。
だからなるべく漏れ電流が少なくなる遮断領域で使用しているというだけです。

以上、「I_C－V_CE特性」についての説明でした。

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