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トランジスターの仕組み
トランジスターとは
 

マイクロプロセッサーのもととなる複雑な電子回路は、そのほとんどがトランジスターと呼ばれる小さな素子の組み合わせによってできています。トランジスターは、そのひとつひとつがスイッチの役割を果たし、スイッチの高速な ON/OFF 動作によってさまざまな計算を行っています。ここでは、トランジスターの生い立ちと基本的な動作の仕組みを解説していきます。

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電子顕微鏡で見たトランジスター
電子顕微鏡で見たトランジスター
 
 
半導体によって作られる小さな電子素子 「トランジスター」
 

トランジスターは、弱い電気信号を強い信号に変える増幅器としての役割や、電気信号の流れを高速に ON/OFF するスイッチとしての役割を果たす小さな電子素子です。トランジスターは、半導体と呼ばれる物質からできています。半導体とは、金属のように電気を通しやすい物質 (導体) とゴムやプラスチックのように電気を通さない物質 (絶縁体) のちょうど中間的な性質を持つ物質のことです。
半導体によって作られる小さな電子素子 「トランジスター」 半導体の材料にはさまざまなものがありますが、マイクロプロセッサーでは主にシリコン (ケイ素) が用いられます。純粋な半導体 (真性半導体) はあまり電気を通しませんが、これにヒ素やリン、ホウ素といった不純物をほんの少しだけ加えると電気的な性質が大きく変わります。トランジスターは、このように微量の不純物が加えられた半導体 (不純物半導体) をいくつかつなぎ合わせて作られたものです。

 
トランジスターは非常に高速で半永久的に動作する電子的スイッチ
 
真空管
真空管

トランジスターは、1948 年に AT&T ベル研究所のショックレー、バーディーン、ブラッテンらのグループによって発明されました。彼らは、軍事レーダーを検知する研究から半導体のゲルマニウムに注目し、このゲルマニウムに微量の不純物を加えたものを組み合わせると電流の増幅作用 (元の信号と同じ形をした強い信号を作り出す作用) が生まれることを発見しました。当時は真空管を用いて軍事レーダーの微弱な電波を増幅していましたが、トランジスターは真空管よりも消費電力が少なく、寿命も長いというメリットを持っています。このため、真空管を置き換える次世代の素子として、軍事用途だけでなく民生用途にも利用範囲が一気に広がり、またたく間に普及しました。

トランジスターは、主に信号増幅用の素子として使われ始めましたが、時間が経つにつれてスイッチとしての機能にも着目されるようになりました。実は、増幅作用を最も単純化したものがスイッチとしての働きです。増幅する前の信号を「流れている」と「流れていない」という 2 つの状態だけに限定すれば、それによって増幅される信号も「流れている」と「流れていない」という 2 つの状態のみとなります。つまり、増幅前の信号がスイッチのボタンとなり、このボタンに連動して増幅後の信号を流したり、止めたりすることができるのです。このようにして動作するスイッチは、金属と金属が触れ合う機械的なスイッチと異なり、非常に高速に、しかも半永久的に動作します。
トランジスターの増幅機能
トランジスターのスイッチ機能

 

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