Transistor: Cấu tạo, Cách Mắc, Nguyên lý hoạt động

TRANSISTOR MỐI NỐI LƯỠNG CỰC

Transistor là gì?

Transistor - mối nối lưỡng cực (BJT) được phát minh vào năm 1948 bởi John Bardeen và Walter Brattain tại phòng thí nghiệm Bell (ở Mỹ). Một năm sau, nguyên lí hoạt động của nó được William Shockley giải thích. Những phát minh ra BJT đã được trao giải thưởng Nobel Vật lí năm 1956. Sự ra đời của BJT đã ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển điện tử học.

BJT ≡ Bipolar Junction Transistor ≡ Transistor mối nối lưỡng cực ≡ Transistor tiếp xúc lưỡng cực ≡ Transistor tiếp giáp hai cực ≡ Transistor lưỡng nối ≡ Transistor lưỡng cực.

Transistor là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử.

Transistor nằm trong khối đơn vị cơ bản tạo thành một cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác. Vì đáp ứng nhanh và chính xác nên các transistor được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, và tạo dao động. Transistor cũng được kết hợp thành mạch tích hợp (IC), có thể tích hợp tới một tỷ transistor trên một diện tích nhỏ.

Cũng giống như diode, transistor được tạo thành từ hai chất bán dẫn điện. Khi ghép một bán dẫn điện âm nằm giữa hai bán dẫn điện dương ta được một PNP Transistor. Khi ghép một bán dẫn điện dương nằm giữa hai bán dẫn điện âm ta được một NPN Transistor.

Tên gọi Transistor là từ ghép trong tiếng Anh của "Transfer" và "resistor", có nghĩa là "điện trở chuyển đổi", do John R. Pierce đặt năm 1948 sau khi nó ra đời. [1] Nó có hàm ý rằng thực hiện khuếch đại thông qua chuyển đổi điện trở, khác với khuếch đại đèn điện tử điều khiển dòng qua đèn thịnh hành thời kỳ đó [Theo https://vi.wikipedia.org/].

4.1. Cấu tạo – kí hiệu Transistor 

Hình dưới đây mô tả Cấu tạo Transistor , trong đó: 

(a) – mạch tương đương với cấu tạo. 

(b) – kí hiệu 

(c) của BJT loại NPN và của BJT loại PNP.

BJT là một linh kiện bán dẫn được tạo thành từ hai mối nối P  – N, nhưng có một vùng chung gọi là vùng nền.

Tùy theo sự sắp xếp các vùng bán dẫn mà ta có hai loại BJT: NPN, PNP.

Ba vùng bán dẫn được tiếp xúc kim loại nối dây ra thành ba cực:

- Cực nền: B (Base)

- Cực thu: C (Collector)

- Cực phát: E (Emitter)

Trong thực tế, vùng nền rất hẹp so với hai vùng kia. Vùng thu và vùng phát tuy có cùng chất bán dẫn nhưng khác nhau về kích thước và nồng độ tạp chất nên ta không thể hoán đổi vị trí cho nhau.

4.2. Nguyên lí hoạt động của BJT 

Khi chưa có nguồn cấp điện VCC, VEE thì BJT có hai mối nối P –N ở trạng thái cân bằng và hàng rào điện thế ở mỗi mối nối duy trì trạng thái cân bằng này.

Với hình 4.3, ta chọn nguồn VCC » VEE và trị số điện trở sao cho thỏa điều kiện:

- Mối nối P  – N giữa B và E (lớp tiếp giáp, lớp tiếp xúc JE) được phân cực thuận.

- Mối nối P  – N giữa B và C (lớp tiếp giáp, lớp tiếp xúc JC) được phân cực nghịch.

- VBE đạt thế ngưỡng tùy loại BJT.

Điện tử từ cực âm của nguồn VEE di chuyển vào vùng phát qua vùng nền, đáng lẽ trở về cực dương của nguồn VEE nhưng vì: vùng nền rất hẹp so với hai vùng kia và nguồn

VCC » VEE nên đa số điện tử từ vùng nền vào vùng thu, tới cực dương của nguồn VCC,

một ít điện tử còn lại về cực dương của nguồn VEE. Sự dịch chuyển của điện tử tạo thành dòng điện:

- Dòng vào cực nền gọi là dòng IB.

- Dòng vào cực thu gọi là dòng IC.

- Dòng từ cực phát ra gọi là dòng IE.

Ngoài ra, mối nối P – N giữa B và C được phân cực nghịch còn có dòng rò (rỉ) rất nhỏ gọi là ICBO.

 4.3. Hệ thức liên hệ giữa các dòng điện

Hình 4.4. Mạch tương đương với hình 4.3

Sự dịch chuyển của các điện tử như trên cho thấy:

IE = IB + IC              (4.1)

IC = αIE                   (4.2) 

4.4. Các cách mắc cơ bản

4.4.1. BJT mắc kiểu cực phát chung

Mạch dùng BJT mắc kiểu cực phát chung (Common Emitter ≡ CE) 

Hình 4.5. Mối nối lưỡng cực

4.4.2. BJT mắc kiểu cực nền chung

Mạch dùng BJT mắc kiểu cực nền chung (Common Base ≡ CB)  

 

4.4.3. BJT mắc kiểu cực thu chung

Mạch dùng BJT mắc kiểu cực thu chung (Common Collector ≡ CC) 

CE:

-Tín hiệu vào B so với E, tín hiệu ra C so với E.

- Pha giữa tín hiệu vào và ra: đảo pha.

- Hệ số khuếch đại Ai , Av lớn.

CB:

-Tín hiệu vào E so với B, tín hiệu ra C so với B.

- Pha giữa tín hiệu vào và ra: cùng pha.

- Hệ số khuếch đại Av lớn, Ai ≈ 1.

CC:

- Tín hiệu vào B so với C, tín hiệu ra E so với C.

- Pha giữa tín hiệu vào và ra: cùng pha.

- Hệ số khuếch đại Ai

lớn, Av ≈ 1.

4.5. Đặc tuyến của BJT

Mạch khảo sát đặc tuyến của BJT.

 Xét mạch Với VBE là hiệu điện thế giữa cực nền B và cực phát E.

VCE là hiệu điện thế giữa cực thu C và cực phát E.

4.5.1. Đặc tuyến ngõ vào IB(VBE) ứng với VCE = const

Chọn nguồn VCC dương xác định để có VCE =

const. Chỉnh nguồn VBB để thay đổi VBE từ 0 tăng lên

đến giá trị nhỏ hơn điện thế ngưỡng Vγ

thì đo dòng IB

≈ 0. Tiếp tục tăng nguồn VBB để có VBE = Vγ

thì bắt

đầu có dòng IB và IB cũng tăng theo dạng hàm số mũ

như dòng ID của diode phân cực thuận.

Hình 4.9. Đặc tuyến ngõ vào của BJT

4.5.2. Đặc tuyến truyền dẫn IC(VBE) ứng với VCE = const

Để khảo sát đặc tuyến này, ta đo, chỉnh nguồn tương tự đặc tuyến ngõ vào nhưng

dòng thì đo IC, quan sát xem IC thay đổi như thế nào khi VBE

thay đổi. Ta có đặc tuyến

truyền dẫn IC(VBE)  có dạng giống như đặc tuyến ngõ vào IB(VBE) nhưng dòng IC có trị số

lớn hơn IB nhiều lần.

IC = IB                                                                          

4.5.3.  Đặc tuyến ngõ ra IC(VCE) ứng với IB = const

Nguồn VBB phân cực thuận mối nối P – N giữa B và E để tạo dòng IB. VCC Khi điện

thế VBVBE ≥ V thì có dòng IB ≠ 0.

Thay đổi VBB để IB có trị số nào đó, dùng máy đo, giả sử đo được

IB= 15 A. Lúc này giữ cố định IB bằng cách không đổi VBB, tiếp theo thay đổi VCC → VCE thay đổi, đo dòng IC tương ứng với VCE thay đổi.

Ban đầu IC tăng nhanh theo VCE, nhưng đến giá trị cỡ IC = IB thì IC gần như không tăng mặc dù hiệu điện thế VCE tăng nhiều. Hình 4.10. Họ đặc tuyến ngõ ra của BJT

Muốn IC tăng cao hơn thì phải tăng VBB để có IB tăng cao hơn, tiếp tục thay đổi VCC để đo IC tương ứng, ta cũng thấy lúc đầu IC tăng nhanh theo VCE, nhưng đến giá trị bão hòa IC = IB, IC gần như không tăng mặc dù VCE vẫn tăng.

 

Thay đổi VBB để IB có trị số nào đó, dùng máy đo, giả sử đo được IB= 15 A. Lúc này giữ cố định IB bằng cách không đổi VBB, tiếp theo thay đổi VCC → VCE thay đổi, đo dòng IC tương ứng với VCE thay đổi.

Ban đầu IC tăng nhanh theo VCE, nhưng đến giá trị cỡ IC = IB thì IC gần như không tăng mặc dù hiệu điện thế VCE tăng nhiều. Hình 4.10. Họ đặc tuyến ngõ ra của BJT

Muốn IC tăng cao hơn thì phải tăng VBB để có IB tăng cao hơn, tiếp tục thay đổi VCC để đo IC tương ứng, ta cũng thấy lúc đầu IC tăng nhanh theo VCE, nhưng đến giá trị bão hòa IC = IB, IC gần như không tăng mặc dù VCE vẫn tăng.

  

Khảo sát tương tự IC(VCE) ở những giá trị IB khác nhau ta có họ đặc tuyến ngõ ra.

Trên đây ta đã xét đặc tuyến của BJT mắc kiểu CE.Ta cũng có thể xét đặc tuyến của BJT mắc kiểu khác:

 BJT mắc kiểu CB:

- Đặc tuyến ngõ vào IE(VEB) ứng với VCB = const.

- Đặc tuyến truyền dẫn IC(VEB) ứng với VCB = const.

- Đặc tuyến ngõ ra IC(VCB) ứng với IE = const.

 BJT mắc kiểu CC:

- Đặc tuyến ngõ vào IB(VBC) ứng với VEC = const.

- Đặc tuyến truyền dẫn IE(VBC) ứng với VEC = const.

- Đặc tuyến ngõ ra IE(VEC) ứng với IB = const.

4.6. Phân cực BJT

BJT có rất nhiều ứng dụng trong các thiết bị điện tử, tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà BJT cần cung cấp điện thế và dòng điện cho từng chân một cách thích hợp. Phân cực (định thiên) là áp đặt hiệu điện thế cho các cực BJT. Phân cực BJT là chọn nguồn điện DC và điện trở sao cho IB, IC, VCE có trị số thích hợp theo yêu cầu.

Điều kiện để BJT dẫn điện:

- Mối nối P – N giữa B và E (tiếp giáp JE) được phân cực thuận.

- Mối nối P – N giữa B và C (tiếp giáp JC) được phân cực nghịch.

- VBE đạt thế ngưỡng tùy loại BJT.

  BJT loại NPN:

VBE = 0,6 V (0,7 V) (Si)

VBE = 0,2 V (0,3 V) (Ge)

VCE ~ (⅓VCC  ÷ ⅔VCC)

  BJT loại PNP:

VEB = 0,6 V (0,7 V) (Si)

VEB = 0,2 V (0,3 V) (Ge)

VEC ~ (⅓VCC  ÷ ⅔VCC)

4.6.1. Dùng hai nguồn riêng

Xét mạch như hình 4.11, dùng BJT mắc kiểu CE, nguồn VBB phân cực thuận mối nối

BE. Nguồn VCC kết hợp với VBB phân cực nghịch mối nối BC. Mạch trên đã được thiết

kế sẵn, bây giờ ta tính toán IB, IC, VCE để xác định điểm làm việc ở trạng thái tĩnh của

BJT theo thiết kế.Chương 4: Transistor mối nối lưỡng cực

 

 

Điểm phân cực Q trên đặc tuyến ngõ ra được xác định bởi ba đại lượng IB, IC, VCE,

hay điểm phân cực Q có tọa độ IB, IC, VCE. Điểm phân cực Q còn gọi là điểm hoạt động

tĩnh (quiescent operating point) hay điểm làm việc ở trạng thái tĩnh.

                                                                                  

Hình 4.11. Mạch phân cực BJT dạng dùng hai nguồn có cực E nối mass.

Hình 4.12. Điểm Q trên đặc tuyến ngõ ra của BJT.

Giả sử  BJT có đặc tuyến ngõ ra như hình 4.12 . Điểm trên đặc tuyến ngõ ra Q có tọa độ IB = 60 A; IC = 4,8 mA; VCE = 8,4 V là điểm phân cực. Hay viết dạng khác Q(VCE; IC)

Tọa độ điểm phân cực Q:

I Đường tải tĩnh (static load line)

Đối với RC không đổi thì IC thay đổi phụ thuộc hiệu điện thế VCE theo dạng biểu thức:

 

Để thấy rõ phương trình dạng toán học có IC là hàm số, VCE là biến số ta có thể viết lại biểu thức trên như sau:

 

Biểu thức (4.18) chính là phương trình đường tải tĩnh.

 

IC = -0,5VCE + 9 (mA): Phương trình đường tải tĩnh.

Theo phương trình đường tải tĩnh, ta thấy nó có dạng đường thẳng (phương trình bậc

nhất y = ax+b). Muốn vẽ đường thẳng, ta phải tìm hai điểm đặc biệt.

Điểm nằm trên trục biến số VCE có giá trị hàm IC  = 0

IC = 0  VCE = VCC = 18 V → A(18 V; 0)

Điểm nằm trên trục hàm số IC có giá trị biến số VCE = 0

 

Vậy đường tải tĩnh là một đường thẳng qua hai điểm A, B và dĩ nhiên đường thẳng

này qua điểm Q.

Ý nghĩa: Đường tải tĩnh là quĩ tích điểm phân cực Q. Khi phân cực mạnh hơn thì

điểm Q chạy lên phía trên. Khi phân cực yếu hơn thì điểm Q chạy xuống phía dưới.

Khi BJT làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu biên độ nhỏ thì phân cực sao cho điểm Q

nằm khoảng giữa đường tải tĩnh là thích hợp.

Điện thế tại các cực của BJT:

 

Tọa độ điểm phân cực:

Điện thế tại các cực của BJT:

       

4.6.2. Dùng một nguồn duy nhất

a. Dùng điện trở giảm áp RB

 

Hình 4.14. Mạch phân cực BJT dạng dùng điện trở giảm áp RB.

 Phương trình đường tải tĩnh:

                                                                    (4.24)

 Điện thế tại các cực của BJT:

 

b. Dùng điện trở hồi tiếp áp RB

 

Hình 4.13. Mạch phân cực BJT dạng dùng hai nguồn có RE. 

 

Hình 4.15. Mạch phân cực BJT dạng dùng điện trở hồi tiếp áp RB.

Phương trình đường tải tĩnh:

C  Điện thế tại các cực của BJT:

 

c. Dùng cầu phân thế

Hình 4.16. Mạch phân cực BJT dạng dùng cầu phân thế.

Áp dụng định lí Thevenin ta vẽ mạch tương đương như hình 4.17:

                                                                   

Với nguồn:  

Tọa độ điểm phân cực:

        

Dùng một nguồn để phân cực BJT ta có ba dạng mạch như trên. Ngoài ra, ta có thể vẽ

thêm ba dạng mạch tương tự nhưng cực E nối trực tiếp xuống mass nghĩa là có ba mạch

phân cực mới. Khi tính toán để thiết kế mạch ta vẫn dùng các công thức trên nhưng chỗ

nào có RE thì ta thế RE bằng 0. Trường hợp này ta luôn có VE = 0 vì cực E nối trực tiếp

xuống mass, tính toán đơn giản nhưng mạch hoạt động không ổn định bằng trường hợp có RE.

4.7. Mạch tương đương dùng tham số h (hybrid) của BJT

Để khảo sát mạch ta cần trình bày dưới dạng một mô hình tương đương. Mô hình này xuất phát từ hệ thức toán học. Đối với trạng thái động tín hiệu nhỏ ta có thể xem BJT như một phần tử tuyến tính, tức là phần tử mà quan hệ giữa dòng điện và điện áp được thể hiện bằng những hàm bậc nhất (trong phạm vi hẹp của điện áp và dòng điện, đặc

tuyến Volt – Ampe của BJT là những đoạn thẳng có độ dốc không đổi). Vì vậy, ở trạng thái động tín hiệu ngõ vào nhỏ BJT được thay thế bởi mạng bốn cực tuyến tính.

4.18. Với điện áp và dòng điện ở ngõ vào là V1, I1 hoặc Vi , Ii ; điện áp và dòng điện ở ngõ vào là V2, I2 hoặc V0, I0.

Hình 4.18. Mạng bốn cực tương đương của BJT.

Chọn I1, V2 làm hai biến độc lập và V1, I2 là hàm của chúng, ta có:

Các đại lượng biến thiên dV1, dV2, dI1, dI2 được kí hiệu bằng các chữ thường v1, v2, i1, i2 (là điện áp và dòng điện xoay chiều do nguồn tín hiệu xoay chiều gây ra trên các cực của BJT). Hệ phương trình trở thành:

 

Ngoài hệ tham số h, ta có thể dùng các tham số z, tham số y.

Quá trình thiết lập hệ phương trình cơ bản đối với các tham số này vẫn tương tự như trên (chỉ khác cách chọn biến và hàm). Ý nghĩa từng tham số zij , yij được suy luận một cách tương tự nhưng ở đây không xét.

Về mặt toán học, các tham số xoay chiều giới thiệu trên đây thực chất là những đạo hàm riêng biểu thị cho độ dốc (hoặc nghịch đảo độ dốc) của những đặc tuyến tĩnh tương ứng. Các tham số này chỉ có ý nghĩa khi BJT làm việc với tín hiệu nhỏ.

Mạch tương đương dùng tham số h (hybrid) của BJT:

Hình 4.19. Mô hình tương đương của BJT đối với tín hiệu xoay chiều biên độ nhỏ, tần số thấp.

  

Hình 4.20. Mô hình tương đương dùng tham số h (hybrid) của BJT mắc kiểu CE.

Với rb là điện trở nền, điện trở này phụ thuộc vào nồng độ tạp chất ở vùng nền. Để giảm rb nồng độ tạp chất ở vùng nền phải cao nhưng điều này ảnh hưởng bất lợi đến hiệu suất cực phát.

re là điện trở động giữa B và E khi mối nối P – N giữa B và E được phân cực thuận.        

Nếu xem dòng ib chạy khắp mạch ngõ vào thì phải thế re = βre .

Thế hie = rb + βre

   

: nguồn điện áp này thể hiện ảnh hưởng của ngõ ra đối với ngõ vào, tức là thể hiện

sự truyền điện áp theo chiều ngược (hiện tượng hồi tiếp nội bộ của BJT). Thực tế, các BJT

thường có h12 (hr) rất bé (cỡ 10

 

Như vậy, ta có mô hình đơn giản như hình 4.21.

Hình 4.21.  Mô hình tương đương dùng tham số h dạng đơn giản nhất của BJT mắc kiểu CE.

Ví dụ:

Vẽ mạch tương đương dùng tham số h (hybrid) của mạch khuếch đại như hình 4.22.

Hình 4.22.  Mạch khuếch đại dùng BJT mắc kiểu CE.

Mạch tương đương dùng tham số h (hybrid) của mạch hình 4.22:

 Mạch tương đương dùng tham số h (hybrid) của mạch hình 4.22.

Lưu ý: Mô hình tương đương dùng tham số h (hybrid) của BJT ở trên chỉ đúng khi

BJT làm việc với tín hiệu xoay chiều biên độ nhỏ, tần số thấp hoặc trung bình. Khi làm

việc ở tần số cao mạch tương đương vẽ phức tạp hơn, có thêm vài tham số ảnh hưởng mô

hình. Mô hình này gọi là mô hình π hỗn hợp ( Hybrid – Pi mode).

Hình 4.24. Mặt cắt ngang của BJT loại NPN.

Hình 4.25. Mô hình π hỗn hợp của BJT.

Với:

rbb = rb là điện trở nền, điện trở này phụ thuộc vào nồng độ tạp chất ở vùng nền.

rbe = re : là điện trở động giữa B và E khi mối nối P – N giữa B và E được phân cực thuận.

: điện dung tiếp xúc của mối nối BE (tụ liên cực)

cπ: điện dung khuếch tán.

 4.8. Phân loại - ứng dụng BJT 

Ta có thể dựa vào cấu tạo hay dựa vào ứng dụng để phân loại:

Dựa vào cấu tạo ta có hai loại:

- BJT loại NPN, được chế tạo từ bán dẫn chính là Si hoặc Ge.

- BJT loại PNP, được chế tạo từ bán dẫn chính là Si hoặc Ge.

Dựa vào ứng dụng:

- BJT làm việc tần số thấp.

- BJT làm việc tần số cao.

- BJT có tần số cắt thấp.

- BJT có tần số cắt cao.

- BJT công suất nhỏ, tần số thấp.

- BJT công suất nhỏ, tần số trung bình.

- BJT công suất nhỏ, tần số cao.

- BJT công suất trung bình, tần số thấp.

- BJT công suất trung bình, tần số trung bình.

- BJT công suất trung bình, tần số cao.

- BJT công suất cao, tần số thấp.

- BJT công suất cao, tần số trung bình.

- BJT công suất cao, tần số cao.

- BJT số là loại BJT có kết hợp thêm các điện trở ở bên trong nó.

- BJT xuất ngang trong TV và monitor vi tính (sò ngang).

- BJT dán (gắn bề mặt) (BJT chip).

- BJT Darlington…

Khi dùng BJT, ta cần biết một số thông số của BJT: ICmax, IBmax, điện áp đánh thủng,

công suất cực đại cho phép, hệ số khuếch đại dòng, tần số cắt, loại BJT,…, những thông

số này dễ dàng biết được khi tìm hiểu, tra cứu BJT.

Hình 4.27.  Hình dạng và sơ đồ chân của một số loại BJT.

BJT có chức năng đặc biệt là khuếch đại tín hiệu nên nó được dùng làm phần tử trong nhiều dạng mạch khuếch đại; BJT được dùng làm những mạch: ổn áp, dao động, khóa,…; nó được tích hợp theo một sơ đồ nhất định để có những IC (Integrated Circuit) chuyên dụng: