電子部品：トランジスタのスイッチング　スイッチングとは何か？なぜ重要なのか？

この記事で分かること

日本の電子部品メーカーの強さ

　日本の電子部品メーカーは、半導体製造分野では後れを取っているものの、コンデンサやセンサーなどの部品分野では、長年にわたり世界市場で強い競争力を保ち続けており、台湾企業による買収も報じられています。

　https://news.yahoo.co.jp/articles/7c65f370b3f25f662f603f1b6f59d590fba4cd46

日本の電子部品メーカーは、長年にわたって培ってきた高い技術力、品質へのこだわり、そして特定のニッチ分野での圧倒的な強みにより、世界市場でその地位を確固たるものにしています。

前回の記事は能動部品やトランジスタの増幅に関する記事でしたが、今回はスイッチング作用についての解説となります。

スイッチング作用とは

　トランジスタは、電気信号を増幅したり、電気のオン/オフを高速で切り替える（スイッチングする）ことができる半導体素子です。スマートフォンやPCのCPUなど、あらゆる電子機器の頭脳である集積回路（IC）の基本素子として不可欠です。

　トランジスタのスイッチング作用とは、外部から加える小さな電気信号（電圧または電流）によって、別の回路に流れる大きな電流のオン（ON）とオフ（OFF）を高速に切り替える能力のことです。

　例えるなら、「軽い指の力で電気のスイッチをカチッと切り替え、部屋の電気（大きな電流）をつけたり消したりする」ようなイメージです。物理的なスイッチと異なり、トランジスタは電気信号で、しかも非常に高速にこのオン/オフを切り替えることができます。

　トランジスタのスイッチング作用は、増幅作用と並んで、電子回路の根幹をなす非常に重要な機能です。

どのように電流をスイッチングしているのか

　トランジスタが電流を切り替える（スイッチングする）仕組みは、種類によって少し異なりますが、基本的な考え方は「制御端子に加える小さな信号で、主電流が流れる経路の電気的な抵抗を大きく変化させる」ことで実現されます。

　最も一般的な2種類のトランジスタ、「バイポーラトランジスタ」と「MOSFET」は以下のような仕組みを持っています。

1. バイポーラトランジスタ (BJT: Bipolar Junction Transistor) の場合

　バイポーラトランジスタは、電流によって電流を制御します。

• 構造: N型半導体とP型半導体をPNPまたはNPNのサンドイッチ状に組み合わせた構造をしています。端子は「ベース(B)」「エミッタ(E)」「コレクタ(C)」の3つです。
• スイッチングの仕組み:
  1. OFF状態（電流を流さない）:
     • ベース端子に電圧を加えないか、ごくわずかな電圧しか加えない場合、ベース-エミッタ間のPN接合は順方向にバイアスされず（または逆方向にバイアスされ）、コレクタ-エミッタ間は非常に高い電気抵抗を持ちます。
     • このため、コレクタからエミッタへ電流はほとんど流れません。まるで「スイッチがオフ」の状態です。
  2. ON状態（電流を流す）:
     • ベース端子にわずかな電圧（通常、約0.7V以上）を加えてベース電流を流し込むと、ベース-エミッタ間のPN接合が順方向にバイアスされます。
     • これにより、エミッタからベース領域に多数のキャリア（NPN型なら電子）が注入され、その多くがコレクタ側へ引き込まれます。結果として、コレクタからエミッタへ向かう大きなコレクタ電流が流れるようになります。
     • この状態では、コレクタ-エミッタ間は非常に低い電気抵抗を持ちます。まるで「スイッチがオン」の状態です。

2. MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) の場合

　MOSFETは、電圧によって電流を制御します。現代のデジタル回路やパワーエレクトロニクスで広く使われています。

• 構造: 「ゲート(G)」「ソース(S)」「ドレイン(D)」の3つの端子を持ちます。ゲートは薄い絶縁膜（酸化膜）を介して半導体層と分離されており、電気的に浮いています。
• スイッチングの仕組み:
  1. OFF状態（電流を流さない）:
     • ゲート端子に電圧を加えないか、ある特定の閾値電圧（しきいちでんあつ）以下の場合、ドレインとソースの間には電流が流れるための「チャネル」が形成されません。
     • このため、ドレインからソースへ電流はほとんど流れません。高い電気抵抗を持つ「オフ」状態です。
  2. ON状態（電流を流す）:
     • ゲート端子に閾値電圧以上の電圧を加えると、絶縁膜の下の半導体層に電界が発生します。
     • この電界によって、ドレインとソースの間に電子（NチャネルMOSFETの場合）が集まり、「チャネル」と呼ばれる電流の通り道が形成されます。
     • チャネルが形成されると、ドレインからソースへ向かって大きな電流が流れるようになります。この状態では、ドレイン-ソース間は非常に低い電気抵抗を持ちます。まるで「オン」の状態です。

トランジスタは制御端子に流す信号（電流または電圧）の有無や強弱によって、主電流が流れる経路の電気抵抗を劇的に変化させるという原理で電流を切り替えています。

なぜ、スイッチングが重要なのか

　トランジスタの「スイッチング作用」が現代の電子機器において非常に重要である理由は、主に以下の3点に集約されます。

デジタル処理の実現

　現代のほとんどの電子機器は、情報を「0」と「1」のデジタル信号で処理しています。トランジスタのスイッチング作用は、この「0（オフ）」と「1（オン）」の状態を物理的に表現する唯一無二の手段です。

　何十億ものトランジスタが高速にオン/オフを切り替えることで、複雑な計算、データ処理、記憶が可能になり、スマートフォンやPCの頭脳であるCPUやメモリが機能します。スイッチング作用がなければ、今日のデジタル社会は存在し得ません。

電力の効率的な制御

　モーターの回転数制御、LED照明の明るさ調整、各種電源（特にスイッチング電源）など、多くの電力制御においてスイッチングは不可欠です。リニア制御方式に比べて、スイッチング方式は必要な電力だけを供給するため、発熱が少なく、電力ロスを最小限に抑えられます（高効率）。これにより、省エネルギー化、機器の小型・軽量化、そしてバッテリー駆動時間の延長に大きく貢献します。

小型化・高機能化

　トランジスタが非常に小型であり、高速にスイッチングできるため、回路全体の小型化と高密度化が可能です。これにより、例えばスマートフォンのように限られたスペースに多くの機能を詰め込むことができ、さらに高性能化・多機能化を推し進めることが可能になります。

　このように、トランジスタのスイッチング作用は、デジタル化、高効率化、小型化という現代電子機器の進化を支える根幹技術であり、その重要性は計り知れません。

スイッチングは、トランジスタのオン/オフで0と1のデジタル情報を表現し、コンピュータの処理を可能にします。また、電力変換を高効率で行い、発熱を抑えつつ機器の小型化・省エネ化を実現するため、現代の電子機器に不可欠な技術です。

スイッチングで複雑な演算ができる理由は

スイッチングで複雑な演算ができるのは、トランジスタのON/OFF状態がデジタル情報である「0」と「1」に対応し、これらを組み合わせて論理回路を構成できるからです。

具体的には、以下のような仕組みで複雑な演算が実現されます。

1. 「0」と「1」の表現:トランジスタがオフの状態を「0」、オンの状態を「1」と定義します。これにより、すべての情報や数値は二進数の「0」と「1」の組み合わせで表現されます。
2. 論理ゲートの構築:いくつかのトランジスタを組み合わせることで、基本的な「論理ゲート」と呼ばれる回路が作れます。代表的な論理ゲートには以下があります。
   • ANDゲート: すべての入力が1のときだけ出力が1になる。
   • ORゲート: いずれかの入力が1のときに出力が1になる。
   • NOTゲート（インバータ）: 入力が1なら0、入力が0なら1と、信号を反転させる。これらの基本的な論理ゲートは、トランジスタのスイッチング特性（電圧が低いとOFF、高いとONなど）を利用して構成されます。
3. 論理ゲートの組み合わせ:AND、OR、NOTなどの基本的な論理ゲートを数多く組み合わせることで、より複雑な演算（足し算、引き算、掛け算、割り算など）を実行できる「演算回路」や、データを記憶する「記憶回路（メモリ）」を構築できます。例えば、足し算を行う「加算器」は、複数のANDゲートやORゲートなどを組み合わせて作られます。
4. クロックによる同期:コンピュータの内部では、クロックと呼ばれる規則的なパルス信号によって、トランジスタのスイッチングタイミングが厳密に同期されています。これにより、多数の論理ゲートが連携して、順序立てて複雑な処理を正確に行うことが可能になります。

スイッチング可能なトランジスタが「0」と「1」を物理的に表現する最小単位となり、これをブロックとして積み重ねていくことで、論理回路が形成され、最終的にコンピュータが行うような複雑な演算が実現できます。

トランジスタは単体で使用されるのか

　トランジスタは、その用途や回路の規模によって、単体（ディスクリート部品）で使われることもあれば、IC（集積回路）の中に多数組み込まれて使われることもあります。

単体（ディスクリート部品）としてのトランジスタ

　個々のトランジスタが独立した部品としてパッケージされ、回路基板に直接取り付けられます。

• 主な用途:
  • 大電力の制御: 大電流を扱うパワーエレクトロニクス（モーター駆動、電源回路、インバータなど）では、熱対策や電力損失の観点から、個別の高出力トランジスタが使われます。
  • 特定の機能の実現: 無線通信の高周波アンプや、オーディオアンプの出力段など、特定の特性（高周波特性、大電流容量など）が要求されるシンプルな回路で使われます。
  • 少数の素子で構成される回路: LEDの点灯制御、リレーの駆動、簡単なスイッチング回路など、トランジスタが数個程度で済む比較的シンプルな回路では、ディスクリート部品がコストや設計の自由度から選ばれることがあります。
  • 修理・交換: 回路の一部が故障した場合、特定のトランジスタだけを交換しやすいという利点もあります。

IC（集積回路）内部のトランジスタ

　現代のほとんどの電子機器の心臓部をなすのがICです。ICの内部には、数百万から数十億個ものトランジスタが極めて微細な状態で集積されています。

1. 主な用途:
   • 複雑なデジタル処理: CPU（中央演算処理装置）、メモリ（RAM、ROM）、GPU（画像処理装置）など、膨大な数のオン/オフ切り替え（スイッチング）を高速で行うことで、複雑な演算やデータ処理、記憶を実現します。
   • 高機能なアナログ回路: オペアンプ（演算増幅器）、A/Dコンバータ（アナログ・デジタル変換器）、D/Aコンバータ（デジタル・アナログ変換器）など、高度なアナログ信号処理を行うICにも多数のトランジスタが使われています。
   • 小型化と信頼性: トランジスタを一つのチップに集積することで、回路全体のサイズを劇的に小型化でき、配線の長さも短くなるため、高速化や消費電力の削減、そして外部環境からの影響を受けにくい高い信頼性が実現されます。
   • 大量生産と低コスト化: 半導体製造技術の進歩により、一つのウェハーから大量のICチップを生産できるため、トランジスタあたりのコストを極めて低く抑えることができます。

トランジスタは単体でも使用されますが、圧倒的に多くのトランジスタがICの形で利用されています。現代の電子機器の高性能化と小型化は、ICの中に膨大な数のトランジスタを集積する技術なしには実現できませんでした。