Dai cuong ve transistor

Transistor laø moät linh kieän baùn daãn 3 lôùp goàm 2 lôùp n vaø 1 lôùp loaïi p – ñöôïc goïi laø transistor npn hoaëc 2 lôùp loaïi p vaø 1 lôùp n – ñöôïc goïi laø transistor pnp. Caû 2 transistor ñöôïc trình baøy ôû hình 3.1. Lôùp baùn daãn beân ngoaøi daøy hôn lôùp baùn daãn chính giöõa, ñoái vôùi transistor ôû hình 31 tæ leä veà beà daøy cuûa caû transistor so vôùi ñoä daøy lôùp giöõa laø 0,1500,001 = 150:1.

1 Cấu trúc transistor:

Transistor là một linh kiện bán dẫn 3 lớp gồm 2 lớp n và 1 lớp loại p – được gọi là transistor npn hoặc 2 lớp loại p và 1 lớp n – được gọi là transistor pnp Cả 2 transistor được trình bày ở hình 3.1 Lớp bán dẫn bên ngoài dày hơn lớp bán dẫn chính giữa, đối với transistor ở hình 3-1 tỉ lệ về bề dày của cả transistor so với độ dày lớp giữa là 0,150/0,001 = 150:1

Hình 3-1 Cấu trúc và kí hiệu transistor pnp và npn

Các cực được ký hiệu bằng các kí tự E cho chữ Emitter (cực phát), C cho chữ Collector (cực thu) và B cho chữ Base (cực nền)

2 Nguyên lý hoạt động của BJT:

Do có 2 loại transistor nên để giải thích hoạt động cơ bản của transistor ta dùng transistor loại pnp như hình 3-1a

Trong hình 3-2, transistor pnp không có điện áp phân cực mối nối CB và chỉ có phân cực mối nối BE phân cực thuận và nó hoạt động giống như chuyển tiếp pn đã nói ở chương 1 Vùng nghèo giảm và chỉ có sự di chuyển của các hạt tải đa số từ p sang n

Hình 3-2 Phân cực thuận mối nối BE Hình 3-3 Phân cực nghịch mối nối BC

Nếu mối nối BE không phân cực còn mối nối CB phân cực ngược như hình 3-3 thì khi đó nó hoạt động giống diode khi phân cực ngược – vùng nghèo sẽ dày lên, dòng của các hạt tải đa số bằng 0 và chỉ còn dòng của các hạt tải tiểu số

Trường hợp cả 2 mối nối được phân cực như hình 3-4 – mối nối BE phân cực thuận, mối nối

BC phân cực ngược Do mối nối BE phân cực thuận nên một số lượng rất lớn các hạt tải đa số của chất bán dẫn p sẽ khuếch tán qua mối nối p-n vào chất bán dẫn n, do chất bán dẫn n ở chính giữa rất mỏng nên chỉ có một số lượng rất ít các hạt tải được tái hợp tạo nên dòng IB có giá trị rất nhỏ khoảng vài A Một số lượng rất lớn các hạt tải còn lại trở thành hạt tải tiểu số và do mối nối BC phân ngược nên các hạt tải này tiếp tục di chuyển sang mối nối sang vùng chất bán dẫn p về cực C tạo nên dòng IC

Aùp dụng định luật Kirchhoff ta có:

B C

Trong đó dòng IC được xem là tổng của 2 dòng: dòng của các hạt tải đa số IC majority (nếu nói từ vùng E) và dòng của các hạt tải tiểu số kí hiệu là ICO minority (dòng IC khi mối nối BE hở mạch):

ority CO Cmajority

Đối với các transistor thông dụng thì dòng IC đo được vào khoảng mA trong khi dòng ICO có giá trị rất nhỏ nằm trong khoảng từ nA đến A ICO giống như dòng IS của diode khi phân cực ngược và rất nhạy với nhiệt độ nên cần phải khảo sát cẩn thận khi sử dụng trong các ứng dụng có tầm nhiệt độ rộng

Hình 3-4 Chiều các hạt tải đa số và tiểu số chạy trong transistor pnp

3 Đặc tuyến vôn _ ampe:

a Mạch cực B chung – CB (Common Base):

Cấu hình mạch cực B chung cho cả 2 BJT pnp và npn được trình bày ở hình 3-5 Các chiều mũi tên cho biết chiều dòng điện

Hình 3.5 Mạch mắc B chung cho BJT pnp và npn

Để diễn tả đầy đủ các đáp ứng của 1 linh kiện 3 cực như mạch mạch khuếch đại CB đòi hỏi 2 họ đặc tuyến: họ đặc tuyến ngõ vào và họ đặc tuyến ngõ ra

Họ đặc tuyến ngõ vào của mạch khuếch đại cực B chung được trình bày như hình vẽ 3-6 diễn tả sự liên hệ giữa dòng điện ngõ vào IE với điện áp ngõ vào VBE tương ứng với các điện áp ra khác nhau của VCB

Hình 3-6 Họ đặc tuyến ngõ vào của mạch khuếch đại cực B chung

Họ đặc tuyến ngõ ra diễn tả sự liên hệ giữa dòng điện ra IC với điện áp ra VCB tương ứng với các dòng điện ngõ vào IE khác nhau như được trình bày ở hình 3-7

Hình 3-7 Họ đặc tuyến ngõ ra của mạch khuếch đại cực B chung

Đặc tuyến ra chia thành 3 vùng: vùng tích cực (active); vùng ngưng dẫn (cutoff) và vùng bảo hòa (saturation) Vùng tích cực thường được sử dụng trong các mạch khuếch đại tuyến tính

Trong vùng tích cực mối nối CB phân cực ngược và mối nối BE phân cực thuận

Chú ý trong họ đặc tuyến ra hình 3-7 ở vùng tích cực, dòng điện IC tăng gần bằng dòng điện

IE:

E

Trong vùng ngưng dẫn, dòng IE = 0 và dòng điện cực C được xem như phụ thuộc vào dòng bảo hòa ngược ICO có giá trị rất nhỏ khoảng vài A và xem như dòng IC = 0, mạch điện được vẽ lại như hình 3-8

Hình 3.8: Khi dòng I E = 0

Trong vùng ngưng dẫn cả 2 mối nối CB và BE đều phân cực ngược

Trong vùng bảo hòa điện áp VCB bằng 0V

Trong vùng bảo hòa cả 2 mối nối CB và BE đều phân cực thuận

Trong họ đặc tuyến ngõ vào hình 3-6 với điện áp VCB cố định thì khi điện áp VBE tăng thì dòng điện IE cũng tăng và đặc tuyến của nó giống như diode

Qua khảo sát đặc tuyến ta thấy để transistor làm việc ở vùng khuếch đại thì điện áp phân cực mối nối BE:

Hệ số :

Trong cấu hình dc dòng điện IC và IE phụ thuộc vào các hạt tải đa số có mối liên hệ với nhau bởi hệ số alpha hay còn gọi là hệ số truyền đạt và được xác định bởi phương trình:

E

C dc

I

I



Trong đó IE và IC là các dòng điện tại điểm làm việc Đối với các linh kiện thực tế thì hệ số alpha nằm trong khoảng từ 0,9 đến 0,998 Hệ số alpha dc hay có thể gọi là alpha (), khi đó phương trình (3-2) được viết lại như sau:

CBO E

Đối với trường hợp tín hiệu ac điểm làm việc di chuyển trên đường cong đặc tính khi đó hệ số alpha ac được xác định với VCB= hằng số như sau:

E

C ac

I

I







Hoạt động khuếch đại của transistor:

Mối quan hệ giữa dòng IC và IE đã được thiết lập ở trên, hoạt động khuếch đại của transistor có thể trình bày bằng mạch điện hình 3.9 Điện áp phân cực không xuất hiện trong cấu hình này

vì chúng ta chỉ quan tâm đến đáp ứng của tín hiệu ac

Hình 3.9 Hoạt động khuếch đại điện áp của mạch B chung

Đối với mạch CB, điện trở ac được xác định bởi đường cong đặc tính hình 3-6 có giá trị rất nhỏ nằm trong khoảng từ 10 đến 100

Điện trở ngõ ra được xác định bởi đường cong đặc tính hình 3-7 có giá trị rất lớn nằm trong khoảng từ 50 k đến 1M Sự khác nhau giữa các điện trở là do mối nối EB phân cực thuận còn mối CB phân cực ngược

Ta chọn điện trở ngõ vào bằng 20 và dòng điện vào được xác định:

Nếu giả sử hệ số ac = 1 (IEIC) , khi đó:

Và

Khi đó hệ số khuếch đại điện áp là

Hệ số khuếch đại đại điện áp của mạch cực B chung thường nằm trong khoảng từ 50 đến

300 Hệ số khuếch đại dòng điện (IC/IE) luôn luôn nhỏ hơn 1

b Mạch cực E chung – CE (Common Emitter):

mA mV

R

V I

i

i

20







mA I

I L  i 10

V k

mA R

I

V L  L (10 )(5 )50

250 200





mV

V V

V A

i L v

Mạch cực E chung có dạng như hình 3-10 đối với cả 2 transistor pnp và npn Gọi là cực E chung vì nó là một cực của tín hiệu vào và cũng là một cực của tín hiệu ra

Hình 3-10 Mạch khuếch đại mắc cực E chung

Hai họ đặc tính vào và đặc tính ra được trình bày ở hình 3-11

Hình 3.11: Mạch mắc CE a đặc tuyến ngõ ra; b đặc tuyến ngõ vào

Mặc dù cấu hình mạch bị thay đổi nhưng mối liên hệ giữa các dòng điện đã được thiết lập trong mạch B chung vẫn không thay đổi Có nghĩa là IE = IC + IB và IC = IE

Đối với mạch cực E chung, đặc tuyến ngõ ra diễn tả mối quan hệ giữa dòng điện ra IC và điện áp ra VCE trong một dãy dòng điện ngõ vào IB khác nhau Đặc tuyến ngõ vào diễn tả mối quan hệ giữa dòng điện vào IB và điện áp vào VBE trong một dãy điện áp ra VCE khác nhau

Giá trị dòng điện IB vào khoảng A trong khi giá trị dòng điện IC vào khoảng mA

Trong vùng tích cực của mạch khuếch đại cực E chung thì mối nối CB phân cực ngược còn mối nối BE phân cực thuận

Trong vùng tích cực của mạch cực E chung có chức năng khuếch đại điện áp và dòng điện Trong vùng ngưng dẫn, cho thấy dòng điện IB bằng 0 nhưng dòng điện IC khác 0 Đối với mạch cực B chung, khi dòng điện IE = 0 thì dòng điện IC bằng dòng điện bảo hòa ngược ICBO Lý do sự khác nhau này có thể chứng minh được từ các phương trình (3-3) và (3-6) như sau:

CBO E

I  

Thay 3.1 vào, ta có:

CBO B

C

I (  )

Suy ra dòng IC:















1 1

CBO B

C

I I

Đặt:

0



B

CBO

CEO

I

I

I

Đối với các mục đích khuếch đại tuyến tính, vùng ngưng dẫn trong cấu hình cực E chung sẽ được xác định bởi IC = ICEO Và được minh họa bằng hình 3-12

Hình 3-12: Dòng rỉ I CEO

Đối với đặc tuyến ngõ vào của mạch cực E chung giống như mạch cực B chung có thể tính gần đúng điện áp VBE = 0,7V khi BJT hoạt động ở vùng khuếch đại và bão hòa

Hệ số :

Trong cấu hình dc, dòng điện IC và IB có mối liên hệ với nhau bởi hệ số beta, hay còn gọi là hệ số khuếch đại dòng điện dc, và xác định bởi phương trình:

B

C

I

I



Trong đó IB và IC là các dòng điện tại điểm làm việc trên các đường đặc tuyến Đối với các linh kiện thực tế thì hệ số  nằm trong khoảng từ 50 đến 400 Nếu 1 linh kiện có hệ số  = 200 điều này có nghĩa là dòng điện IC lớn gấp 200 lần dòng điện IB

Khi tra các thông số của transistor, hệ số dc thường được xem như là hFE

Đối với tín hiệu ac thì hệ số  ac được xác định như sau:

t cons CE B

C ac

V I

I

tan









Khi tra các thông số của transistor thì hệ số ac chính là hệ số hfe Chú ý sự khác nhau giữa các thông số ac và dc, hFE và hfe

Mối quan hệ giữa hệ số alpha và beta:

Ta có

B C

Từ phương trình (3-5) suy ra IE = IC/ và từ phường trình (3-10) ta suy ra IB = IC/, thế vào phương trình trên được:





1 1

1





Suy ra

1









Hay











Từ 2 phương trình trên ta suy ra

1 1

1







Phương trình (3-9) được viết lại theo hệ số  như sau:

CBO CBO

Từ phương trình (3-10) suy ra

B

Và

B B

B B C

c Mạch cực C chung – CC (Common Collector):

Cấu hình mạch cực C chung được trình bày như hình 3-13

Hình 3.13: Mạch mắc CC

Mạch cực C chung có tính chất là tổng trở vào lớn và tổng trở ra nhỏ ngược với cấu hình mạch cực B chung và cực E chung

Đặc tuyến ngõ ra của cấu hình mạch cực C chung giống như mạch cực E chung do IE = IC vì vậy có thể dùng chung đường đặc tuyến với mạch CE

4 Các thông số giới hạn của BJT:

Đối với mỗi transistor có một vùng hoạt động trên đặc tuyến, phải đảm bảo độ dao động cực đại không được vượt quá các vùng giới hạn này, lúc đó tín hiệu ngõ ra có độ méo dạng nhỏ nhất như vùng được xác định đối với các đặc tính của transistor ở hình 3-14

Hình 3.14: Đặc tuyến ngõ ra của BJT npn và các vùng giới hạn của nó

Các giới hoạt động như dòng điện IC cực đại và điện áp cực C và E (thường ký hiệu là

VCEO) Đối với hình 3-14, dòng điện Icmax được xác định là 50mA và điện áp VCEO là 20V

Điện áp bảo hòa VCEsat thường bằng 0,3V

Công suất tiêu tán cực đại được xác định bởi phương trình:

C CE

Đối với transistor ở hình 3.14 thì công suất tiêu tán là:

mW I

V

P Cmax  CE C 1030300

Trong hình 3-14, tại bất kỳ điểm nào trên đường đặc tuyến đều có công suất tiêu tán là 300mW

Nếu ta chọn IC = 50mA thì ta sẽ suy ra được điện áp VCE = 6V và nếu ta chọn điện áp VCE

= 20V thì dòng IC = 15mA Nếu ta chọn dòng điện IC nằm chính giữa là 25mA thì điện áp VCE = 12V

Vùng ngưng dẫn được xác định bên dưới dòng điện IC = ICEO Vùng ngưng dẫn cần phải tránh nếu không tín hiệu ra sẽ bị méo dạng

Tóm lại sự hoạt động của transistor trong vùng đã xác dịnh trong hình 3.19 sẽ đảm bảo rằng độ méo dạng của tín hiệu ra là nhỏ nhất và các dòng điện và điện áp sẽ không làm hư transistor

Nếu các đường cong đặc tuyến không cho trong bảng thông số thì phải chú ý đến các thông số IC, VCE và công suất tiêu tán phải thỏa mãn phương trình (3-17):

ICEO IC ICmax

VCE IC PCmax

Đối với mạch cực B chung thì đường cong của công suất tiêu tán xác định bởi phương trình:

C CB

II TRANSISTOR TRƯỜNG – FET (Filed Effect Transistor)

Có 2 loại FET được trình bày trong chương này là JFET (transistor trường chuyển tiếp -Junction FET) và MOSFET (Metal oxide semiconductor FET) MOSFET lại được chia làm 2 loại MOSFET: E-MOSFET và D-MOSFET Transistor MOSFET là một linh kiện rất quan trọng được sử dụng trong thiết kế và xây dựng các mạch điện tích hợp cho các máy tính

1 JFET:

JFET là linh kiện bán dẫn 3 cực, cấu trúc và kí hiệu của JFET kênh n và JFET kênh p như hình 3.15

Hình 3.15: Cấu trúc và kí hiệu của JFET kênh n và JFET kênh p

Do có 2 loại JFET nên để giải thích hoạt động cơ bản của transistor ta dùng JFET kênh n Chú ý rằng thành phần chủ yếu trong cấu trúc là chất bán dẫn n hình thành một kênh nằm chính giữa 2 chất bán dẫn loại p Đỉnh trên của kênh chất bán dẫn n được nối với 1 Ohmic và đưa ra ngoài tạo thành một cực có tên là D (drain: cực máng), phía bên dưới tạo thành một cực có tên là

S (source: cực nguồn) Hai chất bán dẫn loại p được nối chung với nhau tạo thành một cực có tên là G (gate: cực cổng)

Trường hợp V GS = 0, V DS có giá trị dương:

Hình 3.16: Mạch phân cực cho JFET kênh n với V GS = 0

Ngay khi điện áp VDD (=VDS) áp đặt tới, các điện tử sẽ di chuyển từ cực nguồn S đến cực máng D thiết lập nên dòng điện ID với chiều dòng điện được xác định như hình 3.16 Dòng điện chạy vào cực D cũng chính là dòng điện chạy ra khỏi cực S kết quả được ID = IS

Điều cần phải quan tâm là vùng nghèo rộng ra nằm gần đỉnh của 2 chất bán dẫn p do mối nối pn bị phân cực ngược suốt cả chiều dài của kênh và kết qủa dòng điện IG = 0A

Khi điện áp VDS tăng từ 0 Volt đến vài Volt, dòng điện sẽ tăng và xác định theo định luật Ohm và kết quả vẽ được dòng điện ID theo VD như hình 3.17 Khi VDS tăng và chưa đạt đến giá trị VP như trong hình 3.16, các vùng nghèo trong hình 3.16 sẽ rộng ra làm giảm độ rộng của của kênh dẫn Việc giảm kênh dẫn làm cho điện trở tăng kết quả được đường cong trong hình vẽ 3.17

Nếu VDS tăng đến giá trị Vp làm 2 vùng nghèo đụng vào nhau như hình 3.18 – điểm đụng nhau này gọi là điểm thắt kênh Giá trị điện áp VDS thiết lập nên điểm thắt gọi là điện áp thắt kí hiệu là VP như trong hình vẽ 3.18

Khi VDS tăng vượt qua 1 giá trị của VP , điểm thắt sẽ rộng ra nhưng dòng ID vẫn không đổi

Do đó có thể nói khi điện áp VDS > VP thì JFET có đặc tính như một là nguồn dòng như hình vẽ 3.19 trình bày một nguồn dòng cố định ID = IDSS nhưng điện áp VDS được xác định bởi điện áp tải cung cấp

56

Hình 3.19 Mạch tương đương nguồn dòng khi V GS = 0; V DS > V P

Kí hiệu IDSS chính là dòng điện từ cực máng D đến cực S trong trường hợp ngắn mạch (Short) G-S quan sát đường cong đặc tính cho thấy:

I DSS là dòng điện cực máng cực đại của JFET và được xác định bởi điều kiện V GS = 0 và

V DS >V P

Chú ý trong hình 3.17, điện áp VGS = 0 trên toàn bộ đường cong

Trường hợp V GS < 0, V DS có giá trị dương:

Điện áp từ cực G đến cực S kí hiệu là VGS chính là điện áp điều khiển của JFET Cũng giống như các giá trị khác nhau của đường cong dòng điện IC theo VCE được thiết lập từ các giá trị khác nhau của dòng IB đối với BJT, thì đường cong của dòng điện ID theo VDS được thiết lập từ các giá trị khác nhau của của điện áp VGS đối với JFET

Trong hình 3.20, một điện áp âm –1V được cung cấp cho cực G và cực S Aûnh hưởng của điện áp phân cực âm VGS để thiết lập các vùng nghèo giống như khi VGS = 0V nhưng giá trị của

VDS để xảy ra hiện tượng cắt kênh bây giờ sẽ nhỏ hơn Vp

Hình 3.20 V GS =-1V Hình 3.21.Đặc tuyến Vôn- Ampe của JFET kênh n

Kết quả của việc cung cấp điện áp phân cực âm đến cực G để đạt giá trị bảo hòa tại mức thấp của điện áp VDS được trình bày trong hình 3.21 với giá VGS = -1V Dòng điện bảo hòa ID sẽ giảm và sẽ tiếp tục giảm khi VGS càng âm Chú ý trong hình 3.21 điện áp tại điểm thắt giảm theo đường cong parabol khi VGS âm và càng âm

Tóm lại: Giá trị của điện áp VGS làm cho dòng ID = 0mA được xác định khi VGS = VP, với

VP có giá trị điện áp âm đối với JFET kênh n và có giá trị điện áp dương đối với JFET kênh p

Điện trở được điều khiển bởi điện áp:

Vùng bên trái của điểm thắt trong hình 3.21 được xem như vùng ohmic hoặc vùng điện trở điều khiển bởi điện áp Trong vùng này JFET thực sự có vai trò như là một biến trở (có thể sử dụng cho hệ thống tự động điều khiển độ lợi) mà giá trị điện trở có thể được điều khiển bởi điện