トランジスタのスイッチング作用（その２）

Question

トランジスタのスイッチング作用について質問があります。
前回と似た質問で恐縮です。

上図の回路で正の入力電圧を印加し、NPNトランジスタを飽和させてスイッチングさせます。正の入力電圧を印加しているときは、トランジスタがONし、コレクタからエミッタへ電流が流れます。また、ONしているので、入力の位相が反転して出力に現れます。
ON時のコレクタ・エミッタ間電圧VCE(sat)が0.4Vとすると、コレクタの電位は0.4Vになります。

ここで質問です。
トランジスタがスイッチONの時、VBEは0.7V（動作時のVBEはおおよそこの電圧で考えるようですね。）、VCEは0.4Vとなると、コレクタ（電圧低い）、ベース（電圧高い）という関係になります。電流は電圧が低いところから高いところへは流れません。ということはコレクタからベースには電流は流れないことになります。ベースに電流が流れなければエミッタへも流れません。しかし、現実にはコレクタ→エミッタで流れます。これはどう考えたらよいのでしょうか。理由がわかりません。
入門書ではエミッタからベースに自由電子が流れて、大半がベースを突き抜けてコレクタへ移動するためコレクタからエミッタに電流が流れるとあります。これは理解できます。ただし質問の場合は、コレクタ（電圧低い）、ベース（電圧高い）という関係は無視されて、電圧が低いところから高いところへ流れるという現象になるのでしょうか。
「同じような質問して！」と思われるかもしれません。恥ずかしい限りですがホームページでも書籍でもズバリの理由が探し出せません。よろしくお願いします。

Accepted Answer

私もトランジスタの中でどのような現象が起きているか説明はできませんが
単純に次のように考えることはできないでしょうか？
(1)Vin→R→B→C→この後GND（０ｖ）へ戻るルートがない。（閉回路が構成
   されない）・・・・電流は流れない
   ＊トランジスタの内部でCとEは直接繋がってはいない。
   ＊適切な例ではありませんが、トランジスタを可変抵抗器に置き換え、
     BC間を全抵抗に、Bを可変用シュウ動子として中間位置に置けば閉回路
     が構成できていなことが解ると思います。
(2)実験を伴いますが
  (2-1)RLを取り外した状態でCと０ｖ間に抵抗を接続してこの抵抗の両端
       電圧を測定する。
       ＊電圧が発生するならB→Cへ電流が流れている。・・・(2-2)へ
       ＊電圧が発生しないならB→Cへ電流は流れていない。
           この場合0.1V＜BC間電圧降下(ダイオードのVf相当)かもしれない
  (2-2)相談者の提示する回路に戻って、Cにおける電流はRLを流れてくる
       電流＋B→Cへ流れる電流となるがB→Cへ流れる電流は逆方向であり、
       B→Cへ流れる電流が相対的に小さければ流れないことになる。また、
       極めて小さければネグレクトされることになる。(計算上も実測上も)
他の回答者の方々も相談者がすんなり納得できる説明に苦慮されているのではないかと思います。
実験結果に基づきご自分なりの見解(厳密には違っていても)として整理されてはいかがでしょうか。

申し訳ありません。私の早とちりで質問の内容を誤認していました。

以下に私なりの解釈を記してみます。（解釈の正誤は他の方に判定をお願いいたします）

トランジスタ記号のC→E間にダイオード（仮想ダイオードです）を追加して
考える。
   このダイオードの順方向電圧降下はIb依存性を持ちIb=0でVcc、飽和状態
   でVce(sat)となる。

参考書等に記載されているトランジスタの模式図（コレクタ層・ベース
   層・エミッタ層が直列に配置されたもの）とトランジスタ記号をあわせて
   みると、B→C、B→E間にダイオードがあることになり、ベースに電位が
   与えられるとB→C間ダイオードが変質（特性が変わる）して電流が流れる
   印象を受け、飽和領域ではB→C間ダイオードが無効になればVbe＝Vce(sat)
   となると思いきや、現実はそうならないことから仮想ダイオードを追加
   して考えて見ました。
   また、質問者の方は参考書等に記されている「ベース層を突き抜けて電流
   が流れる」を「ベース層を経由して電流が流れる」と考えておられるよう
   に感じます。C→E間に仮想ダイオードを追加して考えることでこの差が
   解消されればスッキリすることを期待します。

Answer

トランジスタに電流が流れるのは電圧のかけ方と、ベースの薄さが味噌になります。

?Ｂ－Ｅ間に電圧をかけると、Ｅの電子は大量にベースに流れ込みます。
　?ベースはかなり薄いため、流れ込んだ電子はそのままコレクタ側に突き抜けます。
　　ベースに電子が大量に集まることにより、コレクタ側に正孔が集まり、ベース側から　　←←←←かなり重要な要素
　　Ｃに電子の移動を容易にしている。
　?Ｃ側に電子が入ったら、Ｃに接続している＋電圧に電子が引かれていきます。　←←←←電圧のかけ方が重要な要素
　??～?の工程を繰り返すことで、トランジスタは電流を流します。
　
　ちなみに、電気を扱う人には常識だと思いますが、電子の流れは、電流の向きとは反対です。

ちょっと舌っ足らずでしたね。
上記説明より、ベースとコレクタの電圧値が電流を流すのではなく、
電圧を掛ける向きにより、電流が流れる言うのがトランジスタの動作の鍵になります。
簡単に言うと、ベースは薄い、そのため、勢いよくベースに流れ込んだ電子はコレクタに突き抜ける
。突き抜けた電子はコレクタにかかっている＋電圧に引かれる。

トランジスタを作る上で一番重要だったのはベースの薄さだったのかもしれませんね。

Answer

下記のページなど参照願います。
pn接続の方向が電流をせき止める鍵となります。

Answer

NPN TrがON状態で、Vbe=約0.7V > Vce=約0.1V で、でなおかつ
ベース->コレクタ方向は、PN接合の順方向なのに、どうして
ベース->コレクタ方向へ電流が流れないのか
・・・確かに不思議な現象ですね。

ここでは同時に、コレクタ->ベース方向へ、PN接合の順方向の逆方向に
なぜ大電流が流れてしまうのか・・・この電流が増幅されるのも
不思議な現象ですね。

これらの不思議な現象は、発明者も驚いてひどく興奮したでしょうね。
この現象はPN接合ダイオードを2本接続したモデルでは説明できないと
思われます。

現象論的には、この現象を説明するTrの等価回路というものが考えられて
いて、簡単なモデルでは、ダイオード2本と定電流源のものがあったと
思います。つまり実際には存在しないのに、電気エネルギー源がTrには
あるかの如く等価モデルが考えられています。

ベースにバイアス電流を少量流すだけで、コレクターからベース層を
突き抜けてエミッタへ大電流が流れる現象の定性的な説明は、
私ものんきさんと同じように高校3年の物理IIのレベルでは
そこまでしか習わないと思います。

これ以上の知識は電子工学のもっと深い知識が必要なので、
物性論と呼ばれる学問の書籍を調べるのが良いと思います。

ここは製造業の人が多いと思われるので、OKWAVEの学問、物理あたりで
聞くと、詳しい人がいるかもしれません。

私もベース層でいったい何が起こっているのか知りたいところです。

誤記訂正です

誤り：
>ここでは同時に、コレクタ->ベース方向へPN接合の順方向の逆方向に
なぜ大電流が流れてしまうのか

正：
ここでは同時に、コレクタ->ベース層->エミッタの方向へPN接合の
順方向の逆方向になぜ大電流が流れてしまうのか

>NPN TrがON状態で、Vbe=約0.7V > Vce=約0.1V で、でなおかつ
>ベース->コレクタ方向は、PN接合の順方向なのに、どうして
>ベース->コレクタ方向へ電流が流れないのか
>・・・確かに不思議な現象ですね。

Vcc=5V 2N2222で計算したところ、TrがON状態で、
Vbe=約0.7V > Vce(sat)=約0.1V と書いたのですが、
この条件でVbe-Vce=0.6Vなので、
ベースからコレクタへ電流が流れるには、Vbeが約0.1Vほど足りない故、
ベース->コレクタ方向へ電流はぎりぎりで流れることが出来ない
・・・と説明できるかも。　自信はないけど。

ただ・・・すばり教えてより、自分で調べ、考えることが大切ですよ。

Answer

BからEに流れることにより、CからEに流れます。
Eは0VですのでBからEは高い電圧から低い電圧へ
Cも0.4VありますのでCからEは高い電圧から低い電圧へということになります。何も矛盾もありませんが...

トランジスタのスイッチング作用についての質問