（このページ内メニュー）
１、バイポーラトランジスタ評価の概要（hFEとdhFE、ＶＡ）
２、寝起きの悪いトランジスタ（ＮＰＮの低電流特性）
３、高耐圧トランジスタの特徴（準飽和現象）
４、低耐圧トランジスタの特徴（VcboとVceo）
５、Ｊ－ＦＥＴ評価の概要（gmとVp変調現象）
６、Ｍｏｓ－ＦＥＴ評価の概要（高耐圧Mosと低耐圧Mosの違い）
７、Ｄｉ（ダイオード）評価の概要（品種による動作抵抗の違い）
各種トランジスタの実測データ一覧（別ページ）
・バイポーラトランジスタ
AF, Muting用 LN, Pre-drive用 WideBand, RF用 Drive, 中電力用 Power用
（古いリスト表示のデータ）：
LN, Muting用 AF, Pre-drive用 WideBand, RF用 Drive, MidPower用 Power用
・Ｊ－ＦＥＴ、Ｍｏｓ－ＦＥＴ
LN, AF用J-FET RF用J-FET/Mos-FET AF, Drive, Power用Mos-FET
・各種ダイオード（シリコン、SBD、LED、ZD）
１、バイポーラトランジスタ評価の概要
カーブトレーサを使ってトランジスタのIb-step毎のVce-Ic特性を取ると、このような図が得られます。このグラフからは電流による低電圧領域での飽和の様子と大体のhFEが読み取れますが、正確なhFEの値やその電流特性、出力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽを決めるコレクタ電流の傾きの値などはアバウトにしか読めません。
Analog Discoveryを使って得たデータをExportして表計算ソフトで加工する事により、測定ポイント毎の正確な値を知ることができます。
バイポーラトランジスタ（BJT）の直線性は、概ねhFEとVAのIc, Vceによる変化の様子で評価できます。
VAとはコレクタ電流の傾きをそのまま直線でVceの負の領域まで延長した時にIc=0のラインと交差するVceの値で、VA=Ic*dVce/dIc-Vce で計算できます。（dIc, dVceはそれぞれ変化量：差分値）
hFEはIc/Ibですが、単なるhFEだとある所で飽和してもそこまでの「貯金」によりhFEの低下がはっきり見えるのは飽和がかなり進んでからになるので、"変化分でのhFE"＝dhFE＝dIc/dIbを計算すると変動の様子がより明確に見えます。
Analog Discoveryではデータの分解能があまり良くないので、ポイント毎の差分を取るとグラフがガタガタしますが、全体の傾向を見る事でデータの中心値を推測できます。
例として2SC1815で取ったデータを示します。
カタログではIc-hFEのカーブは0.1mAから一直線になっていますが、青のラインで見えるように決して一直線ではありません。（メーカーのカタログ値を鵜呑みにしてはいけない）
赤い微分値のdhFEを見ると、hFEが落ち始めている20mAより先にdhFEは落ち始めるのが分かります。
それでも全体的には広い電流範囲で一定のhFEを保っている、直線性の良いトランジスタと言えます。
最初のグラフはVce=5V固定でしたが、違うVceの時にIc-hFEのカーブがどう変化するかを見たのがその下のグラフ。（Icの軸は対数ではなくて0-50mAのリニア）
低電圧では飽和でdhFEが急激に減少するポイントがある事、飽和しなくてもhFEはほぼ直線的に低下している事が読み取れます。
Vceが大きくなるとhFEが全体的に上昇するのは、hFEが(VA+Vce)/VA倍に変調されている事を示します。
つまりVAが大きいほどVceによるhFE変動幅が小さくなる。
VAの値を10-15Vの範囲で測定したIc-VA特性を右上のグラフに示します。1mAを超えるとVAは低下する事が分かります。
右下側のグラフはIc=1mA, 10mA時のVce-VA特性で、５Ｖ付近までVAは緩やかに上昇し、6-10Vで一定値に落ち着いています。
２、寝起きの悪いトランジスタ
1970年代の頃までのNPNは小電流でhFEが低下するのが良くありました。ベース層のP型キャリアの移動度が悪いために結晶欠陥などのトラップに引っ掛かりやすいのです。（ベースがＮ型のPNPは小電流でのhFE低下は少ない）
松下のC828Aのデータを示しますが、1mA以下ではhFE低下が大きく0.1mAで半分になってしまいます。（古い品種でもC372など低下が小さいのもある）
新しい品種でもC2547のように比較的低下の大きい物もあります。これは、超低雑音の為にRbb'を極端に下げる目的で大電流に特化した設計にしたと思われます。
同じ小信号用のＴｒでも、C1815やC2240は0.1-20mAのオールパーパス、C2547は1mA-50mAの大電流専用、次の高耐圧で取り上げるC1775Aは数mA以下の小電流に特化した品種と言えます。
---- （C2545の不良ロット） ----
2SC2545/2546/2547はそれぞれ耐圧60/90/120Vの兄弟品種です。hFEランクはE=400-800, F=600-1200@2mAですが、サンプル品基板から外した中古のC2545/2546を測ると５個中全てが規格外品でした。
（右図、上の２個は後から買った新品のC2547Eで良品、紫はFランクで600未満なのでNG、その下の４個はEランクで400未満なのでやはりNG。）
品番違い、ランク違いの３種がすべてNGという事は、当時納品されていた2SC2545シリーズはかなり怪しいという事になる。もう20年ほど前の話なので時効かな。
３、高耐圧トランジスタの特徴
2SC1775Aは高hFEで低Cobの低雑音Trとして120Vの耐圧を持った当時は画期的な石でした。高耐圧、低Cobの為にコレクタ層のキャリア濃度を下げて高抵抗とした為に電流を流すとすぐに飽和が始まる、電流に弱い石です。
下の特性から分かるように、コレクタ内部に800Ω程度の抵抗が入っているような感じで、Vce=5Vでは6mAを超えると急激にhFEが低下を始めます。
では、飽和が始まるとTrとしての増幅能力は失われるかと言えば「半分No」で、直線性は非常に悪いがhFEが数十に落ちただけでまだIc制御能力は残っています。（このページの一番上にあるC1775Aの大電流領域の特性図がそれで、ベース電流を100倍流してやれば増幅動作はしている）
このような、飽和が始まってhFEは低下しているがまだ完全には飽和していない状態の事を「準飽和」と呼びます。耐圧が50V程度の品種でも準飽和領域は見られますが、高耐圧になるほど準飽和のIcが斜めのゾーンが広くなる傾向があります。
高耐圧の石は10V以上のVceを掛けて使うのが前提で、低電圧で使うと準飽和領域に掛かって特性が非常に劣化するので要注意です。準飽和は内部コレクタ接合が順バイアスになってコレクタ領域に大量のキャリアが蓄積するので、hFEだけでなくftも急激に劣化します。
下のデータ：2SC5171は耐圧180V, 2Aのﾊﾟﾜｰｱﾝﾌﾟドライブ段用品種。電流容量が大きいので、準飽和が始まってもhFEの低下がとても緩やかなのが特徴。最新の設計なのでhFE直線性も素晴らしい。
この位の耐圧になると、非常にＶＡの値が大きくなります。（コレクタ出力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽが高い）
10mAからＶＡの低下が始まりますが、Vceを100V近く掛ければＶＡの大きなゾーンがもっと広がるのかも知れません。（Analog Discoveryの入力制限で25V以上は評価できていない）
４、低耐圧トランジスタの特徴
耐圧が30V以下の品種では、コレクタ高抵抗層を作らないので「準飽和領域」はほとんど現れません。
その代わり、耐圧限度が近くなるとhFEの異常な増大が現れ、ついにはちょっとIbを流すだけでIcが無制限に流れる「１次降伏」が起こります。
これがVceo耐圧で、コレクタ接合が雪崩れ降伏を起こす限界：Vcboとは異なります。下の図はVcbo=35V, Vceo=18V定格の2SC2408で、Vceが15Vを超えるとhFEの増大が急激になり、20VでついにhFEが∞に発散する様子が見て取れます。
この様子をＶＡの電圧変化から見ると、耐圧限度に近付く前からＶＡが低下を始め、Vceo限度の7-8V手前でＶＡの値が負になる事が分かります。
つまり、Vceの増大につれてＶＡが低下を始めたら耐圧限度に近付いている前兆と見なせる。
５、Ｊ－ＦＥＴ評価の概要
右図は2SK246BL(Idss=7.7mA)の特性図です。
ピンチオフ電圧(Vp)が3.6Vと大きいので、Vgs=0のｾﾞﾛﾊﾞｲｱｽではIdが一定値に飽和するまで４Ｖ近く掛かっている。（Vpの小さな品種ではIdssの立ち上がりも早くなる）
ゲートバイアスを掛けるとその分だけピンチオフが早くなるので定電流領域に達するのも早くなる。
下側のグラフはVds毎のVgs-gm特性を見たもの。Vds<3Vでは定抵抗領域に掛かるので、gmが頭打ちになっている。
k246は定電流特性に優れている品種なので、Vds>10Vではグラフの変化はとても小さく、20Vのラインも10Vと重なっています。
下右側のグラフはバイポーラトランジスタと同じ計算式で出したＶＡの値で、定抵抗領域（VA=0）を脱した後は一直線にＶＡの値は増大していきます。
バイポーラでは10V付近でＶＡの値は落ち着くのに対し、J-FETではドレインのピンチオフする長さがVdsに比例するため、電圧を掛けるほど比例してVAが大きくなるのが特徴。
次は高周波用2SK125のデータ。
ゲート接地用の品種でIdssが非常に大きく、バイアスも深いですが、下のVgs-gm特性を見ると分かるようにドレイン電圧が変化するとピンチオフ電圧も0.5Vほどずれているのが分かります。
つまり、実効バイアスがVdsの影響を受けて変動してしまうのでIdの定電流性が悪く、ＶＡの値も極端に小さくなります。
Vgs=-3.8VでVds=5Vではカットオフしていたのに、Vds=20Vでは0.5mAほど電流が流れてしまう。つまり微小電流ではＶＡの値が負になります。
色々な品種を実測すると、VdsによるVp変調の大きさは大きく異なり、2SK30Aや2SK246/2SJ103のようなほとんど影響を受けないＶＡの大きな品種と、Id=1mA, Vds=10VでのＶＡが50を切るような定電流性の悪い品種、その中間的な品種の３つに大別できます。
高周波用でも2SK192AのようにVp変調が小さい品種もあり、用途からドレイン出力の定電流性は予測できない。
J-FETを定電流用に使う事がありますが、品種をよく選定しないと定電流性の悪い物になってしまう。
なお、普通のJ-FETではソースとドレイン側の構造は対称なので、ＳとＤを逆に使っても問題ありません。(内部ｶｽｺｰﾄﾞ接続の2SK606のような品種を除く) 2SJ74はソースとドレイン側で構造が異なる（Crsが違う）のでドレインを逆にした場合の特性を取ってみましたが、測定誤差以上の差異は見られませんでした。
また、１チップDual品種でサブストレート端子のバイアスで特性が影響されるかを2SK60Aで確認しましたが、Sub端子に+25Vのバイアス印加時とゲート直結（負バイアス）とで全く変化はありませんでした。
一般的に、１チップDual品のSub端子はOpenで使って良いようです。（両ゲート間の容量結合を避ける目的でバイアスを掛けるのはあり）
６、Ｍｏｓ－ＦＥＴ評価の概要
SW用の縦型MosはON抵抗が低く、低電圧領域でもId立上りは良好で直ちに定電流領域に入ります。（準飽和領域がない）
中耐圧の品種(2N7000等)では、耐圧に余裕がある所でもVAがどんどん低下する現象が見られ、横型のMosでVAがVds印加電圧に正比例するのとは傾向が異なります。
耐圧30V以下のトレンチ型では耐圧限度に近付くとVAもゼロに向かって低下していく傾向があり、特にNch品種の方が低下が激しい。
FETは理想的には二乗特性でVgs-gm特性は一直線でピンチオフ電圧で０に交差するはずですが、図のように微小電流領域ではバイポーラのようにgmが指数関数になり、Id-gm特性が√Idにならずに０付近ではgmがIdに正比例します。
Spiceシミュレータで計算するとVpで急激にカットオフして歪波形にスパイクが発生しますが、実際の素子では指数関数でゆっくりgmが下がるのでシミュレーションしたような波形にはなりません。
gmの高い高速素子を能動領域で使うと配線インダクタンスで発振する場合があり、測定データにも発振気味で途中でカーブがうねっているのもあります。
高耐圧のMosは非常にドレイン出力の定電流性に優れ、右図のようにPch品でもVA測定限界を超える物がある。
オーディオ出力段用の品種は概ねPchでも高いVAを持つが、低耐圧の品種ではSW用J-FETのようにVdsのゲート帰還量が大きくてVAがとても小さいのもあるので、電圧振幅を大きく取る用途には品種を良く選ぶ必要がある。
７、各種Ｄｉ評価の概要
ダイオードの静特性は、Vfと動作抵抗Rdの電流特性を評価しました。（ツェナーDiは動作電圧Vzで評価）
DiのVfはｼｮｯﾄｷｰやGaAsなど含めて材質に拠らず同じ基本原理に基付くので、VfとRd共に電流に対し指数関数になります。実際にはそれに素子の内部抵抗成分が加わり、大電流ではその抵抗が支配的になる。
右図に紫外LEDのデータを示しますが、1mAを越えた辺りから15Ω程度ある内部抵抗の影響が出始める。小電流用ほど抵抗は大きく、大電流用のパワーLED等は内部抵抗は小さい。ツェナーDiは約5.6Vを境に特性が変わり、低電圧品はダイオードのVfと同様の指数関数を示します。（トンネル効果で電子が障壁を通過する為）
5.6Vを越えるとツェナー降伏に動作が変わるので微小電流の高抵抗から一気に低ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽに移行し、それ以上電流を流しても動作抵抗は減らなくなります。
右図は12V品ですが、0.1～0.4mAで一気に低ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ領域に突入し、非常にシャープな定電圧特性を示します。この移行完了電流は降伏電圧で異なり、5.6Vに近い6V程度では指数領域が長くなり、9V以上では0.5mA以下で素早く下まで落ち切ります。 （ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽが下がるまでの小電流領域は不安定で、12V以上では一時的に負性抵抗を示す場合もあるのでツェナーDiは数mA以上流すのが基本。）
低ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ領域に入ってからの抵抗値は概ね高電圧品ほど高く、20Vを越えると100Ω程度で1mAからさらに電流を流してもRdは減らない。9V以下の比較的低電圧の品種は内部抵抗は低く、10mA流すと1Ωを切る物もある。
計測器のメニュー に戻る AudioのTOP に戻る