アーリー効果とは？メカニズムとアーリー電圧の求め方

アーリー効果とは、コレクタ電圧が高くなることでベース幅が薄くなりhFEが増大する現象です。
これにより、コレクタ-エミッタ間電圧が大きくなるとコレクタ電流が増加するという特性が見られます。

アーリー効果は、この効果を発見したアーリー(J.Early)にちなんで名付けられています。

本稿では、アーリー効果の発生原因やアーリー電圧の求め方などについて解説していきます。

アーリー効果の発生原因

コレクタ電圧が大きくなりコレクタ-ベース間の逆バイアスが大きくなると、コレクタ-ベース間の空乏層が広がるためベース幅が狭くなります。

これによりベース層内でキャリアが再結合する確率が減少するためhFEが増大します。
ベース幅が変化することで起こるため、 ベース幅変調効果とも呼ばれます。

理想的にはVCE-IC特性はフラットになりますが、アーリー効果によってVCEが大きいほどhFEが増大するため、コレクタ電流が増加する特性となります。

アーリー電圧とは

アーリー効果によるVCE-IC特性の傾きをグラフの左側へ延長していくと、ベース電流の大小に関わらず１点で交差します。
この電圧をアーリー電圧といい、VAで表します。

グラフからアーリー電圧を読み取ると、VA = 67.7Vであることが分かります。
アーリー電圧は絶対値で表します。

出力インピーダンスの計算

上記のようにしてアーリー電圧を求めることで、エミッタ接地回路の出力インピーダンスを計算することができます。
出力インピーダンスはアーリー電圧を用いて、

と表せます。

前出のVCE-IC特性では、アーリー電圧：VAは67.7Vと求められています。
例えば、VCE=10V、IB=300uAの時のコレクタ電流：ICはグラフより24mAと読み取れるので、出力インピーダンスを計算すると、

となり、3.24kΩであることが分かります。

MOSFETのアーリー効果

MOSFETの場合、ドレイン電圧が大きくなるとチャネル長が短くなる特性を有しています。
これをチャネル長変調効果といいます。

チャネル長変調効果により、飽和領域でのVDS-ID特性は下図のようにVDSの増大によってIDが増加していきます。

バイポーラトランジスタのアーリー効果と似た特性を示すことから、チャネル長変調効果をアーリー効果という場合もあります。