(57)【要約】      （修正有）【課題】オーディオ用に、熱雑音の極端に小さいバイポーラ・トランジスターを設計する方法を提供する。【解決手段】バイポーラ・トランジスターは、薄く形成したベース層を中心にＰ型半導体とＮ型半導体を３層に接合した構造の半導体素子であり、アナログ増幅用に使う場合には、ベース層をキャリアーが通過する時に自由電子が熱雑音を受けている。キャリアーが通過するベース層の厚さとエミッター層が自由電子に熱雑音を与える領域である。キャリアーが通過するベース層とエミッター層をバイポーラ・トランジスターとして信号増幅が出来るギリギリの厚さにまで薄く設計する事に依り、電流増幅率を大きくし、熱雑音を極端に小さくする事が出来て、エミッター層が薄くなった分、キャリアーのドリフト距離が短くなり、キャリアーが熱雑音を受ける領域が短くなって熱雑音を減らす事が出来る。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
超低雑音のオーディオ用バイポーラ・トランジスターの設計方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、工学分野に関する物である。
【発明の概要】
【０００２】  この発明は、熱雑音が極端に小さい、オーディオ用のバイポーラ・トランジスターの設計方法に関する物である。
【背景技術】
【０００３】  今までのバイポーラ・トランジスターは、薄く形成したベース層を中心にＰ型半導体とＮ型半導体を３層に接合した構造の半導体素子で、接合した３層のＰ型半導体、Ｎ型半導体層中のフェルミ・レベルは等しくなり、このフェルミ・レベルに対して価電子帯、伝導帯のエネルギー準位は、それぞれフェルミ・レベルの下側と上側に形成され、Ｐ型半導体とＮ型半導体を接合する事に依り、３層の半導体層中のフェルミ・レベルが等しくなり、このフェルミ・レベルが等しくなる事に依り、Ｐ型半導体とＮ型半導体のＰＮ接合部分には、伝導帯や価電子帯のポテンシャル障壁が形成される。バイポーラ・トランジスターに電圧をかけた場合にも、３層の半導体層中のフェルミ・レベルは等しく、このＰＮ接合部分の伝導帯や価電子帯のポテンシャル障壁を電子やホール等のキャリアーが昇り降りした残りのエネルギーがジュール熱として放出される。このＰＮ接合部分のポテンシャル障壁は、電子やホール等のキャリアーに対しては純抵抗として働き、ポテンシャル障壁をキャリアーが通過する時にジュール熱が発生する。バイポーラ・トランジスターに電圧をかけた場合には、エミッター・ベース間よりもベース・コレクター間のポテンシャル障壁のエネルギー差が大きく、バイポーラ・トランジスターの大部分のジュール熱は、このベース・コレクター間のＰＮ接合部分で発生している。このＰＮ接合部分で発生するジュール熱は、バイポーラ・トランジスターの３層の半導体層を流れる自由電子の熱雑音の元と成っている。
フェルミオンである電子のバンド理論は、電子のド・ブロイ波長がシリコン等の結晶格子の格子間隔距離と近く、その為に自由電子は結晶格子の原子に依って散乱されて、完全な自由電子とはならず、また、自由電子のエネルギー準位は殆ど同じエネルギー準位であり、電子がフェルミオンである為に電子のエネルギー準位では電子１個、１個を見分ける事が出来ず、パウリの排他原理によって電子は同じエネルギー準位に入れ無い為と、シリコン等の結晶格子の原子が周期的に並んで居る為にブロッホの定理が成り立ち、ブロッホの定理に依って、結晶内の自由電子の軌道が決定するのに多少の時間が掛かり、結晶内の自由電子は結晶内で伝導帯、価電子帯のエネルギー準位が幅を持つバンド理論となり、フェルミオンである、電子のバンド理論は伝導帯、価電子帯のキャリアーの飽和、不飽和の密度変化に依って半導体素子の動作を説明する理論であり、バイポーラ・トランジスターのアナログ増幅動作は、バンド理論での伝導帯、価電子帯での電子、ホール等の、キャリアーの不飽和の密度変化に依る物である。
トランジスターのＳ／Ｎ比は、トランジスターの電圧増幅率とトランジスター内部で発生する熱雑音等が増幅された雑音出力の比である。この為に、ユニポーラ・トランジスターである、ＦＥＴの電圧増幅率に対して相対的に熱雑音等の増幅された雑音出力は大きく、この為にＦＥＴはＳ／Ｎ比が小さく、オーディオ機器の出力段である、電力増幅段ではＦＥＴを電力増幅用のトランジスターとしては使う事が出来ない。バイポーラ・トランジスターでは、トランジスター内部で発生し、増幅されて出力された熱雑音等に対して電圧増幅率が大きく、その結果としてＳ／Ｎ比が大きくなり、バイポーラ・トランジスターは、ユニポーラ・トランジスターよりはオーディオ機器の電力増幅段で、電力増幅用のトランジスターとして使う事が出来る。バイポーラ・トランジスターは、ベース層を薄く設計する事に依り、電流増幅率を大きくする事が出来るので、電流増幅率を大きくする事に依り、コレクター電流を大きくする事が出来て、このコレクター電流を負荷抵抗等に流す事に依り、トランジスターの電圧増幅率を大きくする事が出来る。
熱雑音は、電子やホール等のキャリアーが半導体素子中をドリフト中に受ける熱的な雑音で在り、あらゆる周波数成分を同程度で含んでいる、ホワイト・ノイズである。ユニポーラ・トランジスターに於いては、チャンネルをキャリアーがドリフトしている間に熱雑音を受け、バイポーラ・トランジスターではベース層をキャリアーが通過する間に熱雑音を受ける物で、ユニポーラ・トランジスターのチャンネルの長さとバイポーラ・トランジスターのベース層の厚さは１桁程も違う。また、別の事実として、普通のＰＮ接合をしているダイオードにはトランジスターの様な増幅作用は無い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  オーディオ用に、熱雑音の極端に小さいバイポーラ・トランジスターを設計する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  バイポーラ・トランジスターは、薄く形成したベース層を中心にＰ型半導体とＮ型半導体を３層に接合した構造の半導体素子で、Ｐ型半導体とＮ型半導体をＰＮ接合した為に、３層の半導体層のフェルミ・レベルが同じエネルギー準位になり、Ｐ型半導体とＮ型半導体のＰＮ接合部分には、伝導帯や価電子帯のポテンシャル障壁が形成される。バイポーラ・トランジスターをアナログ増幅用に使う場合には、伝導帯、価電子帯の電子、ホールのキャリアーの不飽和の密度変化を使って増幅していて、普通のＰＮ接合をしているダイオードのスイッチング作用とアノード電流中の熱雑音と、バイポーラ・トランジスターの入力換算雑音との比較から考えると、ＰＮ接合部分のポテンシャル障壁は熱雑音には影響していなくて、主にベース層をキャリアーが通過する時にバイポーラ・トランジスターは増幅作用を起こしていて、このベース層を通過する時に自由電子が熱雑音を受けている。ベース層を挟んだ両側のＰＮ接合のポテンシャル障壁はキャリアーに対しては、純抵抗として作用してジュール熱を発生し、半導体素子中の自由電子に熱雑音を与える元となり、キャリアーが通過するベース層の厚さとエミッター層が自由電子に熱雑音を与える領域である。ポテンシャル障壁がキャリアーに対して純抵抗として働くことは、ラグランジュ形式で複素数表示をしたキルヒホッフの第２法則から、インピーダンス成分のみがエネルギー消費関数として在り、このエネルギー消費関数項のみがジュール熱を発生する項である事が判る。従って、キャリアーが通過するベース層とエミッター層をバイポーラ・トランジスターとして信号増幅が出来るギリギリの厚さにまで薄く設計する事に依り、電流増幅率を大きくし、熱雑音を極端に小さくする事が出来て、質量作用の法則からエミッター層の不純物濃度を高くする事でエミッター層の抵抗値が下がると共に、エミッター層が薄くなった分、キャリアーのドリフト距離が短くなり、キャリアーが熱雑音を受ける領域が短くなって熱雑音が減り、また、電流増幅率も大きくする事が出来て、コレクター層の不純物濃度を低くすれば逆方向電流増幅率も小さくする事が出来る。
【発明の効果】
【０００６】  この発明により、バイポーラ・トランジスターは、超低雑音のアナログ信号の半導体増幅素子として使う事が出来て、オーディオ機器やデジタル信号をＤ／Ａ変換した後のアナログ信号の超低雑音の半導体増幅素子として使う事が出来る。