トランジスタ
増幅時同様、エミッタ - ベース間の電流(ベース電流)によってエミッタ - コレクタ間のより大きな電流(コレクタ電流)を制御できる仕組みを利用する。
ベースに与える小さな信号によってより大きな電流を制御できるため、メカニカルなリレースイッチの代わりに利用されることもある。
電流の大小ではなくON / OFFだけが制御の対象であるため、一定の線形性が求められる一般的な増幅作用の場合とは異なり、コレクタ電流とベース電流との比が直流電流増幅率よりも小さくなる飽和領域も使われる。
この作用により、論理回路などのデジタル回路を作ることができる。
一般には実用化につながった1947-1948年の、ベル研究所による発見および発明がトランジスタの始祖とされる。しかし、それ以前に増幅作用を持つ固体素子についての考察がよく知られているものでも何件かある。1925年、ユダヤ人物理学者ユリウス・エドガー・リリエンフェルトが、現在の電界効果トランジスタ (FET) に近い発明の特許をカナダで出願した。1934年にはドイツの発明家オスカー・ハイルが同様のデバイスについて特許を取得している。
1947年、ベル研究所の理論物理学者ジョン・バーディーンと実験物理学者ウォルター・ブラッテンは、半導体の表面における電子的性質の研究の過程で、高純度のゲルマニウム単結晶に、きわめて近づけて立てた2本の針の片方に電流を流すと、もう片方に大きな電流が流れるという現象を発見した。最初のトランジスタである点接触型トランジスタの発見である。固体物理学部門のリーダーだったウィリアム・ショックレーは、この現象を増幅に利用できる可能性に気づき、その後数か月間に大いに研究した。この研究は、固体による増幅素子の発明として、1948年6月30日に3人の連名で発表された。この3人は、この功績により、1956年のノーベル物理学賞を受賞している。
トランジスタは、P型及びN型半導体の性質を利用している。
ここではNPN接合(端子は順にエミッタ、ベース、コレクタ)のバイポーラトランジスタ(後述)を例にとり説明する。
エミッタとコレクタはN型半導体であるため電子が過剰にあり、ベースはP型半導体であるため電子が不足(正孔を持つ)している。
エミッタ - コレクタ間に、エミッタ側を (-) として電圧をかけた場合を考える。PN接合においては、接合面でキャリアが相互に侵出し電荷を打ち消し合っている(空乏層)。電子は空乏層に阻まれ電流は流れない。
ここで更にエミッタ - ベース間に、エミッタ側を (-)として電圧をかける。このときはエミッタ - コレクタ間に電流が流れる。 ベース端子から電子が流れ出し、ベースに正孔が発生する(空乏層が薄くなる)。 エミッタに存在する電子がベースに向かい移動する。ベースに供給された正孔を利用し、電子がベースを通過する。 エミッタ - コレクタ間の電流はエミッタ - ベース間の電流に従って変化する(増幅)。
1960年代までの初期に多用されたPNP型のトランジスタの場合では、電源の極性(電流の向き)を逆(エミッタを (+)、コレクタ・ベースを (-))にして、電子と正孔を入れ替えれば、同様の働きを行う。
同じ型番でも直流電流増幅率 (hFE) や信頼性などで選別を行い、型番の末尾にそれらを識別する文字(付帯形名)が付けられていることがある。
例えば、かつて東芝が製造していた2SC1815という製品の場合、色名に由来する略記号を使って次のように示されていた。
2SC1815-O: hFE = 70 - 140 通称「オレンジ」
2SC1815-Y: hFE = 120 - 240 通称「イエロー」
2SC1815-GR: hFE = 200 - 400 通称「グリーン」
2SC1815-BL: hFE = 350 - 700 通称「ブルー」
(この東芝が使っている略記号の色名は、カラーマークに由来するもので、金属パッケージの時代には実際にその色のドットが付いていた。これは共通のものではなく、もっぱらメーカー毎に全く異なる標示法となっている。同一メーカーでも品種によって異なることもある)