トランジスタのコンプリメンタリペアとは？

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APDahlen Applications Engineer

コンプリメンタリ（相補型）という用語は、2つの異なるトランジスタの関係を表します。一方のトランジスタはNPNタイプで、もう一方はPNPタイプです。このような両者の関係はMOSFETやNMOS技術にも及び、この場合は、一方のデバイスはNチャンネルで、もう一方はPチャンネルです。人間の手が左右対称であるように、相補型半導体は構造も性能も似ています。NPNデバイスとPNPデバイスの間で電流の流れが逆になることを観察すると、相補型半導体の真の性質が明らかになります。

最も一般的なコンプリメンタリの例として、2N3904（NPN）トランジスタがあります。2N3904のコンプリメンタリは2N3906（PNP）トランジスタです。どちらのトランジスタも1960年代半ばに登場しました。品番が近いことから、同時期に開発され、JEDEC（半導体技術協会）に登録されたことがわかります。もう1つの典型的な海外での例は、BC548（NPN）とBC558（PNP）のペアです。これらのトランジスタは同時に設計され、European Pro Electron（現在のESIA、ヨーロッパ半導体産業協会）に登録されました。図1には、大型のTO-220パッケージのTIP41（NPN）/TIP42（PNP）ペアと、小型のTO-92 MPSA06（NPN）/MPSA56（PNP）ペアの2つのコンプリメンタリトランジスタの例が示されています。

Figure 1: This circuit features the complementary TO-220 packaged TIP41 (NPN) and TIP42 (PNP) transistors.
Figure 1: This circuit features the complementary TO-220 packaged TIP41 (NPN) and TIP42 (PNP) transistors.952×714 69.6 KB

図1： この回路には、TO-220パッケージのTIP41（NPN）とTIP42（PNP）のコンプリメンタリトランジスタが使用されています。より小さいTO-92パッケージのMPSA06（NPN）とMPSA56（PNP）もコンプリメンタリです。

よくある質問

この記事の残りの部分では、コンプリメンタリ（相補型）半導体に関する一般的な質問にお答えします。

2N2222のコンプリメンタリトランジスタは何ですか？

多くの人が有名な2N2222（NPN）トランジスタを知っていますが、そのコンプリメンタリペアである2N2907（PNP）トランジスタを知っている人はほとんどいません。2222と2907の間には多くのJEDEC番号があることに注意してください。どちらのトランジスタも1965年にリリースされました。

回路図でコンプリメンタリペアを識別するにはどうすればよいですか？

コンプリメンタリペアはアンプの出力段によく見られます。その例を図2に示します。ここでは、Q1がR負荷（スピーカ）を正の30V DCレールに向けて引き上げます。トランジスタQ2は、R負荷を-30V DCレールに向かって引き下げます。この2つの回路が協働することで、±30 Vのピーク出力信号が得られます。MOSFETやNチャンネルMOSFETでも同様の回路図があります。いずれの場合も、コンプリメンタリ半導体は出力信号を駆動するために協働します。

コンプリメンタリという用語は、必ずしもプッシュプル出力段を意味するものではありません。むしろ、コンプリメンタリという用語は、NPNタイプとPNPタイプの間で類似した性能特性を持つトランジスタを意味します。回路設計者は、特定の回路でコンプリメンタリタイプを使用することがよくあります。例えば、入力段、定電流源、電圧増幅器、およびドライバは、すべてコンプリメンタリの製品群から選択できます。

Figure 2: The NPN and PNP transistors in this audio output stage are a complementary pair.
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図2： このオーディオ出力段のNPNトランジスタとPNPトランジスタは、コンプリメンタリペアです。

なぜコンプリメンタリトランジスタが重要なのですか？

コンプリメンタリデバイスは常に利用できるとは限りませんでした。例えば、真空管は電流が一方向にしか流れないため、限界があります。同様に、初期のパワートランジスタは、一般にPNPゲルマニウムタイプに限られていました。

その答えは、1960年初頭のオーディオアンプにあります。真空管から最新のリニアオペアンプに至るまで、ほとんどのアンプはプッシュプルペアで作られていることを思い出してください。一方のトランジスタが正の半サイクルを担当し（プルアップ）、もう一方が負の半サイクルを担当します（プルダウン）。

コンプリメンタリトランジスタが登場する以前、設計者には2つの選択肢がありました。

  • 出力トランス：これは、プッシュプル動作のための高価なソリューションでした。また、全オーディオレンジにわたってトランスをリニアにするのは困難です。

  • 準コンプリメンタリ：2つのPNPトランジスタがある場合、1つは反転トランジスタを追加することでNPNのように見せることができます。残念ながら、このような準コンプリメンタリなPNPとNPNのペアは、線形性と過負荷特性の点で互いに一致せず、その結果、性能は最適ではなくなります。

初期のアンプの多くは、レベルシフトと出力デバイスを適切に動作させるためのバイアスをかけるために、ドライバトランスも使用していました。非コンプリメンタリアンプの例を図3に示します。RCAのトランジスタマニュアル（SC-10）に掲載されたこの25Wアンプは、2個のPNPゲルマニウム型2N2147トランジスタと入力トランスを備えています。パワーアンプを図4に示します。このSylvaniaのステレオはゲルマニウム出力トランジスタを準コンプリメンタリ回路に搭載しています。ドライブトランスはヒートシンクの左側にあります。この動画では、セットアップとバイアス方式について説明しています。

コンプリメンタリNPNおよびPNPトランジスタの出現により、これらの問題の多くは解消されました。バイアスネットワークは単純化され、信号が直接結合され、トランスは不要です。その結果、回路の信頼性が向上し、コストも削減されました。これに関連して、設計者は全体的な負帰還の量を増やすことができるようになりました。これらの変更により、直線性が改善され、出力抵抗が下がり、電源ノイズが減少しました。

その他のアプリケーションでは、私たちは、設計者があらゆる回路でさまざまなNPNおよびPNPトランジスタを使用することが多いことを認識しています。コンプリメンタリトランジスタを使用すれば、回路設計者は、周波数、利得、熱、および周波数応答特性において、すべてのトランジスタが同じ性能を持つことを確信できます。

歴史： PNPゲルマニウムパワートランジスタは、一般的にJEDEC 2N100から2N3000の範囲で分類されています。シリコンパワートランジスタのNPNタイプは、一般的に2N3000より大きい番号が付けられています。この尺度からすると、有名な2N3055は、市場で最も早く発売されたNPNシリコンパワートランジスタの1つです。2N3055は、RCAの1964年版トランジスタマニュアル（SC-11）に掲載されています。なお、最初の小信号シリコントランジスタは2N696です。これは1950年代後半に、Schokley Semiconductorを離反してFairchildを設立した「裏切り者の8人」によって発表されました。

Figure 3: Schematic of a first-generation transistor audio amplifier featuring a quasi-complementary output stage using the RCA 2N2147 PNP Germanium transistor.
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図3： RCAのPNPゲルマニウムトランジスタ2N2147を使用した準コンプリメンタリ出力段を備えた、第1世代トランジスタオーディオアンプの回路図。

Figure 4: Image of a Sylvania amplifier featuring quasi-complementary output stage.
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図4： 準コンプリメンタリ出力段を備えたSylvaniaのアンプの写真。ドライバトランスはヒートシンクのすぐ左側にあります。

DigiKey検索システム内でコンプリメンタリトランジスタを見つけるにはどうすればよいですか？

JEDEC番号やESIA番号が連続することはほとんどないため、トランジスタのコンプリメンタリペアを識別するのは簡単ではありません。2N3904と2N3906のペアが良い例です。2N3903（NPN）/2N3905（PNP）ペアと2N3904（NPN）/2N3906（PNP）ペアのシリーズは同時に開発され、同時にJEDECに提出されました。JEDECは、NPNタイプに小さいシーケンス番号を、PNPタイプに大きいシーケンス番号を割り当てました。その結果、コンプリメンタリタイプの間にギャップが生じます。古典的な2N2222（NPN）と2N2907（PNP）のペアを見つけることは、コンプリメンタリペア間に多くの品番をJEDECが割り当てたため、より困難となっています。

昔は通常、コンプリメンタリトランジスタは表に並べて掲載されていたので識別するのは簡単でした。何しろ、V_CE、I_C、P_D、電流利得の仕様が同じなのですから。残念ながら、紙のカタログは過去のものとなりました。DigiKeyの最後の紙カタログは2011年に発行されました。

1つのトランジスタの品番がわかっているとして、そのコンプリメンタリペアを求めるには次のようにします。

  • データシートでの直接参照

  • 図5に示すように、逆パラメトリック検索を利用します。できるだけ少ないボックスを選択することで、広い網を張ります。もちろん、網は無関係な製品も捕らえますが、目的の部品を見つけることができます。この例では、MPSA06（NPN）のコンプリメンタリペアMPSA56（PNP）を見つけます。

  • 一般的なインターネット検索で、コンプリメンタリペアを特定できることがよくあります。

  • AIの使用

Figure 5: This DigiKey reverse lookup method may be used to locate the complement of the OnSemi MPSA06 transistor.
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図5： このDigiKeyの逆引き方法は、OnSemiのトランジスタMPSA06のコンプリメンタリペアを見つけるために使用できます。

すべての部品にコンプリメンタリペアがありますか？

いいえ、すべてのトランジスタにコンプリメンタリペアがあると期待すべきではありません。これは、高電圧トランジスタや、電源やモータ駆動に使用されるハイパワーMOSFETのような特殊なデバイスに特に当てはまります。

トランジスタの2つのタイプとは何ですか？

バイポーラ接合型トランジスタ（BJT）には、NPNタイプとPNPタイプがあります。まず、2種類の結晶構造があることを認識することから始めます。N材料は電子が過剰になるように処理（ドーピング）されており、P結晶構造は一般にホールと呼ばれる電子の欠損部があります。

トランジスタは、2つの異なるタイプの半導体材料から構成されるサンドイッチとしてモデル化することができます。NPNトランジスタのサンドイッチは、N材料をパンに見立て、間に薄いマシュマロ状のP材料を挟んで作ります。出来上がったNPNサンドイッチは、ボンディングワイヤで外部に接続されます。PNPは、パンとマシュマロを逆にする以外は同様です。

このマシュマロ サンドイッチ（コレクタ、ベース、エミッタ）は、覚えやすくて良い出発点です。ただし、これは単なるモデルです。トランジスタを作製する際のエンジニアリング上の課題と比較すると、同心円モデルを使用して量子力学を研究するようなものです。間違っているわけではありませんが、不完全です。

コンプリメンタリデバイスに関して：

  1. NPNとPNPは類似した特性を持っていることを認識してください。

  2. 電流の流れが逆になります。例えば、NPNトランジスタの電流はコレクタからエミッタに流れますが、PNPトランジスタの電流はエミッタからコレクタに流れます。これは従来のプラスからマイナスへの電流の流れを想定しています。

技術的なヒント： NPNトランジスタの回路図記号を覚えるには、Not-Pointing-iN（矢印が内側を指していない）というニーモニックが簡単です。

コンプリメンタリトランジスタのマッチング方法は？

一般的に、このステップは必要ありません。コンプリメンタリトランジスタは本質的にマッチングしています。また、ほとんどの回路には、トランジスタのわずかなばらつきを自動的に補正する負帰還が含まれています。例えば、オーディオアンプには、線形性を改善するために30dB以上の負帰還が含まれている場合があります。

アプリケーションによっては、NPNトランジスタとPNPトランジスタの両方が同じパッケージに統合されたアレイを使用することが望ましい場合があります。例えば、NexperiaのPBSS4140DPN,115（6-TSOP）部品です。

技術的なヒント： トランジスタは温度の変化に敏感です。デバイス間で温度が異なると、マッチングが崩れてしまいます。これは、複数のトランジスタを同じパッケージに統合したアレイを使用することで軽減できます。これは、パワートランジスタを共通のヒートシンクに実装するのと同じ原理です。

また、トランジスタテスタモジュールに接続されたDigilentのAnalog Discoveryのようなトランジスタカーブトレーサを使用することもできます。この動画では、NPNトランジスタのマッチングについて簡単に紹介しています。

ダーリントンペアとは何ですか？

ダーリントンペアとは次のようなものです。

  • 1つのトランジスタがもう1つのトランジスタを駆動する回路構成で、この回路は高ゲインの単一トランジスタとして機能します。

  • 1つのパッケージに2つのトランジスタを搭載した特別設計のトランジスタで、その結果、トランジスタは高い利得を得ることができます。

コンプリメンタリトランジスタに関しては、TIP120（NPN）とTIP125（PNP）などのコンプリメンタリダーリントントランジスタが利用可能であることを認識してください。これらは比較的に一般的で、複数のメーカーが製造しているため、ジェリービーンズ部品とみなされます。

技術的なヒント： ほとんどの最新部品には、従来の品番を不明瞭にするサフィックスが含まれているため、ジェリービーンズ部品を見つけるのは難しいかもしれません。「TIP120 BJT」というキーワードで検索すれば、この問題を解決できます。DigiKeyの部品検索の拡張に関する追加情報については、こちらの記事をご覧ください。

おわりに

コンプリメンタリトランジスタはコア技術です。オーディオアンプやオペアンプの出力段など、プッシュプルアプリケーションで使用すると輝きを放ちます。コンプリメンタリトランジスタは、回路内で使用する類似した性能のコンポーネントを識別する便利な方法でもあります。例えば、工場のライン数を最小限に抑えたいマネージャーは、別のトランジスタを使用する正当な理由がない限り、すべてのプロジェクトにBC548（NPN）トランジスタを使用するよう指示するかもしれません。私には、これはコンプリメンタリのBC558（PNP）も利用可能であることを意味しているように思えます。

質問やコメントをお寄せください。BC548にこだわるマネージャーのような方のエピソードは特に歓迎です。

また、FAQに不足しているものがあれば、お知らせください。

ご健闘をお祈りします。

APDahlen

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著者について

Aaron Dahlen氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間教壇に立ったことによってさらに強化されました（経験と知識の融合）。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチや執筆を楽しんでいます。




オリジナル・ソース（English）