TRANSISTOR lưỡng cực (BJT)

Hình 2.2: Phân tích cấu tạo transistor thành hai ñiốt và mạch tương hỗ 2.1.1.2 Nguyên lí làm việc: Tùy mức phân cực mà transistor có thể làm việc một trong ba trạng thái : Trạng thái n

Trang 1

PHẦN 1 LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG 2 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BJT

SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 24

Chương 2 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT)

2.1 Gi ới th i ệuTransistor

Nếu trên cùng một ñế bán dẫn lần lượt tạo ra hai tiếp giáp công nghệ p-n gần nhau thì ta ñược một dụng cụ bán dẫn 3 cực gọi là transistor bipolar, có khả năng khuếch ñại tín hiệu ñiện Nguyên lí làm việc của transistor dựa trên ñặc tính ñiện của từng tiếp giáp p-n và tác dụng tương hỗ giữa chúng

2.1.1 Cấu tạo, nguyên lí làm việc, ñặc tuyến và tham số của transistor

2.1.1.1 Cấu tạo: transistor có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau, tùy theo trình tự sắp xếp các miền p và n mà ta có hai loại cấu tạo ñiển hình là pnp và npn như trên hình 2.1 ðể cấu tạo ra các cấu trúc này người ta áp dụng những phương pháp công nghệ khác nhau như phương pháp hợp kim, phương pháp khuếch tán, phương pháp epitaxi

Hình 2.1 : Mô hình lí tưởng hóa cùng kí hiệu của transistor pnp (a) và npn (b) Miền bán dẫn thứ nhất của transistor là miền emitter với ñặc ñiểm là có nồng ñộ tạp chất lớn nhất, ñiện cực nối với miền này gọi là cực emitter Miền thứ hai là miền base với nồng ñộ tạp chất nhỏ và ñộ dày của nó nhỏ cỡ um, ñiện cực nới với miền này gọi

là cực base Miền còn lại là miền collecter với nồng ñộ tạp chất trung hình và ñiện cực tương ứng là collecter Tiếp giáp p-n giữa miền emitter và base gọi là tiếp giáp emitter (JE) tiếp giáp pn giữa miền base và miền collecter là tiếp giáp collecter Về kí hiệu transistor cần chú ý là mũi tên ñặt ở giữa cực emitter và base có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n Về mặt cấu trúc, có thể coi transistor như 2 ñiôt mắc ñối nhau như hình

Trang 2

2.2 (ðiều này hoàn toàn không có nghĩa là cứ mắc 2 ñốt như hình 2.2 là có thể thực hiện ñược chức năng của transistor Bởi vì khi ñó không có tác dụng tương hỗ lẫn nhau của 2 tiếp p-n Hiệu ứng transistor chỉ xảy ra khi khoảng cách giữa 2 tiếp giáp nhỏ hơn nhiều so với ñộ dài khuếch tán của hạt dẫn)

Hình 2.2: Phân tích cấu tạo transistor thành hai ñiốt và mạch tương hỗ

2.1.1.2 Nguyên lí làm việc:

Tùy mức phân cực mà transistor có thể làm việc một trong ba trạng thái :

Trạng thái ngưng dẫn :

Nếu BJT phân cực với mối nối BE phân cực nghịch

Nếu BJT ñược phân cực với mối nối BE phân cực thuận VBE = 0,5 ÷ 0,7V và BC

ñược phân cực nghịch thì BJT dẫn ñiện: dòng IC tăng theo IB (IC = βIB)

Trạng thái khuếch ñại :

Nếu BJT ñược phân cực thuận với mối nối BE phân cực thuận VBE = 0.5 – 0.7 V, và mối nối

BC phân cực nghịch thì BJT dẫn ñiện :dòng IC tăng theo IB (IC = βIB)

Trạng thái bảo hòa :

Nếu BJT ñược phân cực với mối nối BE và BC phân cực thuận , thì transistor dẫn

bão hòa: lúc ñó IC không tăng (IC < βIB) và ñiện thế VCE giảm còn rất nhỏ gọi là

VCE bão hòa (VCEsat ≈ 0,2V)

ðể transistor làm việc, người ta phải ñưa ñiện áp 1 chiều tới các ñiện cực của nó, gọi là phân cực cho transistor ðối với chế ñộ khuếch ñại thì mối nối BE phân cực thuận

và mối nối BC phân cực ngược như hình 2.3

Hình 2.3: Sơ ñồ phân cực của transistor npn (a) và pnp (b) ở chế ñộ khuếch ñại

Trang 3

ðể phân tích nguyên lí làm việc ta lấy transistor pnp làm ví dụ Do BE phân cực thuận các hạt ña số (lỗ trống) từ miền p phun qua BE tạo nên dòng emitter (IE) Chúng tới vùng base trở thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng base hướng tới BC Trên ñường khuếch tán mộ t phần nhỏ bị tái hợp với hạt ña số của base tạo nên dòng ñiện cực base (IB) Do cấu tạo miền base mỏng nên gần như toàn bộ các hạt khuếch tán tới ñược bờ của BC và bị trường gia tốc (do BC phân cực ngược) cuộn qua tới ñược miền collecter tạo nên dòng ñiện collecter (IC) Qua việc phân tích trên rút ra ñược hệ thức cơ bản về các dòng ñiện trong transistor (hệ thức gần ñúng do bỏ qua dòng ngược của BC)

ñó là cách mắc chung emitter (EC), chung base (BC), chung collecter (CC) như hình

Ba cách mắc còn lại không có ứng dụng trong thực tế

Hình 2.3: Phương pháp mắc transistor trong thực tế

Từ trái sang phải : Chung emitter, chung base, chung collecter

Trang 4

2.2 Các dạng mắc mạch cơ bản của transistor

2.2.1 Mạch chung emitter (EC)

Trong cách mắc EC, ñiện áp vào ñược mắc giữa cực base và cực emitter, còn ñiện áp ra lấy từ cực collecter và cực emitter Dòng vào, ñiên áp vào và dòng ñiện ra ñược ño bằng các miliampe kế và vôn kế mắc như hình 2.4 Từ mạch hình 2.23, có thể

vẽ ñược các họ ñặc tuyến tĩnh quan trọng nhất của mạch EC :

Hình 2.4 Hình 2.5

ðể xác ñịnh ñặc tuyến vào, cần giữ nguyên ñiện áp UCE, thay ñổi trị số ñiện áp UBE ghi các trị số IB tương ứng sau ñó dựng ñồ thị quan hệ này, sẽ thu ñược kết quả như hình 2.5 Thay ñổi UEC ñến một giá trị cố ñịnh khác và làm lại tương tự sẽ ñược ñường cong thứ hai Tiếp làm tục như vậy sẽ có một họ ñặc tuyến vào của transistor mắc chung emitter

Từ hình 2.5, có nhận xét ñặc tuyến vào của transistor mắc chung emitter giống như ñặc tuyến của chuyến tiếp p-n phân cực thuận, vì dòng IB trong trường hợp này là một phần của dòng tổng IE chảy qua chuyển tiếp emitter phân cực thuận (h 2.23) Ứng với một giá trị UCE nhất ñịnh dòng IB càng nhỏ khi UCE càng lớn vì khi tăng UCE tức

là tăng UCB (ở ñây giá trị ñiện áp là giá trị tuyệt ñối) làm cho miền ñiện tích không gian của chuyến tiếp collecter rộng ra chủ yếu về phía miền base pha tạp yếu Diện áp UCB càng lớn thì tỉ lệ hạt dẫn ñến collecter càng lớn, số hạt dẫn bị tái hợp trong miền base và ñến cực base ñể tạo thành dòng base càng ít, do ñó dòng base nhỏ ñi

ðể vẽ ñặc tuyến ra của transistor mắc CE, cần giữ dòng IB ở một trị số cố ñịnh nào

ñó, thay ñổi ñiện áp UCE và ghi lại giá trị tương ứng của dòng IC kết quả vẽ ñược dường cong sự phụ thuộc của IC vào UCE với dòng IC coi dòng IB là tham số như hình 2.5 Từ họ ñặc tuyến này có nhận xét sau : Tại miền khuyếch ñại ñộ dốc của ñặc tuyến khá lớn vì trong cách mắc này dòng IE không giữ cố ñịnh khi tăng UCE ñộ rộng hiệu dụng miền base hẹo lại làm cho hạt dẫn ñến miền collecter nhiều hơn do ñó dòng

IC tăng lên Klhi UCE giảm xuống 0 thì IC cũng giảm xuống 0 (các ñặc tuyến ñều qua gốc tọa ñộ ) Sở dĩ như vậy vì ñiện áp ghi trên trục hoành là UCE= UCB + UBE như vậy tại ñiểm uốn của ñặc tuyến, UCB giảm xuống 0, tiếp tục giảm UCE sẽ làm cho chuyển tiếp collecter phân cực thuận ðiện áp phân cực này ñẩy những hạt dẫn thiểu số tạo thành dòng collecter quay trở lại miền base,kết quả khi UCE = 0 thì IC cũng bằng 0

Trang 5

ngược lại nếu tăng UCE lên quá lớn thì dòng IC sẽ tăng lên ñột ngột (ñường ñứt ñoạn trên hình 2.5), ñó là miền ñánh thủng tiếp xúc (ñiốt) BC của transistor.(Tương tự như ñặc tuyến ngược của ñiốt, khi UCE tăng quá lớn tức là ñiện áp phân cực ngược UCB lớn lớn tới một giá trị nào ñó, tại chuyển tiếp collecter sẽ sảy ra hiện tương ñánh thủng

do hiệu ứng thác lũ và hiệu ứng Zener làm dòng IC tăng ñột ngột ) Bởi vì khi transistor làm việc ở ñiện áp UCE lớn cần có biện pháp hạn chế dòng IC ñể phồng tránh transistor

bị hủy bởi dòng IC quả lớn

Hình 2.6: ðặc tuyến ra của transistor mắc EC

Hình 2.7: ðặc tuyến vào của transistor

Trang 6

ðặc tuyến truyền ñạt biểu thị mối quan hệ giữa dòng ra (IC) và dòng vào IB khi UCE cố ñịnh ðặc tuyến này có thể nhận ñược bằng cách giữ nguyên diện áp UCE, thay ñổi dòng base IB ghi lại giá trị tương ứng IC trên trục tọa ñộ, thay ñổi các giá trị của UCE làm tương tự như trên có họ ñặc tuyến truyền ñạt, cũng có thể suy ra họ ñặc tuyến này từ các ñặc tuyến ra (h 2.7) Cách làm như sau : tại vị trí UCE cho trước trên ñặc tuyến ra vẽ ñường song song với trục tung, ñường này cắt họ ñặc tuyến ra ở những ñiểm khác nhau Tương ứng với các giao ñiểm này tìm ñược giá trị IC Trên hệ tạo ñộ IC,

IB có thể vẽ ñược nhữnh ñiểm thảo mãn cặp trị số IC, IB vừa tìm ñược, nối các ñiểm này với nhau sẽ ñược ñặc tuyến truyền ñạt cần tìm

2.2.2 Mạch chung base

Transistor nối mạch theo kiểu chung base là cực base dùng chung cho cả ñầu vào và ñầu ra Tín hiệu vào ñược ñặt giữa hai cực emitter và base, còn tín hiệu ra lấy từ cực collecter và base ðể ño ñiện áp ở ñầu ra và ñầu vào từ ñó xác ñịnh các họ ñặc tuyến tĩnh cơ bản của transistor mắc chung base (BC) người ta mắc những vôn kế và miliampe

Dựng ñặc tuyến vào trong trưòng hợp này là xác ñịnh quan hệ hàm số IE =f(UEB) khi ñiện áp ra UCB cố ñịnh Muốn vậy cần giữ UCB ở một giá trị không ñổi, thay ñổi giá trị UBE sau ñó ghi lại giá trị dòng IE tương ứng Biểu diễn kết quả này trên trục tọa ñộ IE (UEB) sẽ nhận ñược ñặc tuyến vào ứng với trị UCB ñã biết Thay ñổi các giả trị cố ñịnh của UCB làm tương tự như trên sẽ ñược họ ñặc tuyến vào như hình 2.9

Vì chuyển tiếp emitter luôn phân cực thuận cho nên ñặc tuyến vào của mạch chung base cơ bản giống như ñặc tuyến thuận của ñiốt Qua hình 2.8 còn thấy rằng ứng với ñiện áp vào UEB cố ñịnh dòng vào IE càng lớn khi ñiện áp UCB càng lớn, vì ñiện áp UCB phân cực ngược chuyển tiếp collecter khi nó tăng lên làm miền ñiện tích không gian rộng ra, làm cho khoảng cách hiệu dụng giữa emitter và collecter ngắn lại do ñó làm dòng

IE tăng lên

ðặc tuyến ra biểu thị quan hệ IC= f(UCB) khi giữ dòng vào IE ở một giá trị cố ñịnh Căn cứ vào hình 2.10, giữ dòng IE ở một giá trị cố ñịnh nào ñó biến ñổi giá trị của UCB ghi lại các giá trị IC tương ứng, sau ñó biểu diễn kết quả trên trục tọa ñộ IC – UCB sẽ ñược ñặc tuyến ra Thay ñổi các giá trị IE sẽ ñược họ ñặc tuyến ra như hình 2.10

Trang 7

PHẦN 1 LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG 2 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT)

Từ hình 2.10 có nhận xét là ñối với IE cố ñịnh, IC gần bằng IE Khi UCB tăng lên IC chỉ tăng không ñáng kể ñiều này nói lên rằng hầu hết các hạt dẫn ñược phun vào miền base

từ miền emitter ñều ñến ñược collecter Dĩ nhiên dòng IC bao giờ cũng phải nhỏ

hơn dòng IE Khi UCB tăng làm cho ñọ rộng miền ñiện tích không gian collecter lớn lên,

ñộ rộng hiệu dụng của miền base hẹp lại, số hạt dẫn ñến ñược miền collecter so với khi UCB nhỏ hơn, nên dòng IC lớn lên Cũng từ hình 2.28 còn nnhận xét rằng khác với trường hợp ñặc tuyến ra mắc CE khi ñiện áp tạo ra UCB giảm tới 0 ðiều này có thể giải thích như sau :

Hình 2.10 ðặc tuyến vào và ñặc tuyến truyền ñạt mạch mắc BC Khi ñiện áp ngoài UCB giảm ñến 0, bản thân chuyển tiếp chuyển tiếp collecter vẫn còn ñiện thế tiếp xúc, chính ñiện thế tiếp xúc collecter ñã cuốn những hạt dẫn từ base sang collecter làm cho dòng IC tiếp tục chảy ðể làm dừng hẳn IC thì chuyển tiếp collecter phải ñược phân cực thuận với giá trị nhỏ nhất là bằng ñiện thế tiếp xúc, khi ấy ñiện thế trên chuyến tiếp collecter sẽ bằng 0 hoặc dương lên,làm cho các hạt dẫn từ base không thể chuyển sang collecter (IC= 0)

Miền ñặc trưng trong ñó chyển tiếp collecter phân cực thuận gọi là miền bão hòa Nếu tăng ñiện áp ngược UCB ñến một giá trị nhất ñịnh nào ñó (gọi là ñiện áp ñánh thủng ) dòng IC tăng lên ñột ngột có thể dẫn ñến làm hỏng transistor hiện tượng ñánh thủng này

do mọt trong hai nguyên nhân : Hoặc là do hiệu ứng thác lũ hoặc hiệu ứng Zener như trưnờng hợp ñiốt, hoặc là do hiện tượng xuyên thủng (do ñiện áp ngược UCB lớn làm miền ñiện tích không gian của miền chuyển tiếp collecter mở rộng ra tới mức tiếp xúc với miền ñiện tích không gian chuyển tiếp emitter, kết quả làm dòng IC tăng lên ñột ngột ) ðặc tuyến truyền ñạt chỉ rõ quan hệ hàm số giữa dòng ra và dòng vào IC=f(IE) khi ñiện

áp ra giữ cố ñịnh ðể vẽ ñặc tuyến này có thể làm bằng hai cách : hoặc bằng thực nghiệm áp dụng sơ ñồ (2.7), giữ nguyên ñiện áp UCB thay ñổi dòng vào IE, ghi lại các kết quả tương ứng dòng IC, sau ñó biểu diễn các kết quả thu ñược trên tạo ñộ IC – IE sẽ

Trang 8

ựược ựặc tuyến truyền ựạt Thay ựổi giá trị cố ựịnh UCB sẽ ựược họ ựặc tuyến truyền ựạt như hình ( 2.10) Hoặc bằng cách suy ra từ ựặc tuyến ra : từ ựiểm UCB cho trước trên ựặc truyến ta vẽ ựường song song với trục tung, ựường này sẽ cắt họ ựặc tuyến ra tại các ựiểm ứng với IE khác nhau từ các giao ựiểm này có thể tìm ựược trên trục tung các giá trị

IC tương ứng Căn cứ vào các cặp giá trị IE, IC này có thể vẽ ựặc tuyến truyền ựạt ứng với một ựiện áp UCB cho trước, làm tương tự với các giá trị UCB khác nhau sẽ ựược họ ựặc tuyến truyền ựạt như hình 2.10

2.2.3 - Mạch chung collecter (CC)

Mạch chung collecter có dạng như hình 2.11, cực collecter dùng chung cho ựầu vào

và ựầu ra

để ựo ựiện áp vào, dòng vào, dòng ra qua ựó xác các ựặc tuyến tĩnh cơ bản của mạch

CC dung các vôn kế và miliampe kế ựược mắc như hình 2.11

Hình 2.11a Sơ ựồ CC Hình 2.11b Họ ựặc tuyến vào CC

đặc tuyến vào của mạch chung collecter (CC) IB= f(UCB) khi ựiện áp ra UCE không ựổi có dạng như hình 2.11b nó có dạng khác hẳn so với các ựặc tuyến vào của hai cách mắc EC và BC xét trước ựây đó là vì trong kiểu mắc mạch này ựiện áp vào UCB phụ thuộc rất nhiều vào ựiện áp ra UCE (khi làm việc ở chế ựộ khuyếch ựại ựiện áp UCB ựối với transistor silic luôn giữ khoảng 0.7V, còn transistor Gecmani vào khoảng 0.3V trong khi ựó ựiện áp UCE biến ựổi trong khoảng rộng )

Trang 9

PHẦN 1 LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG 2 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT)

Hình 2.13: ðặc tuyến ra của sơ ñồ CC Khi ñiện áp vào UCB tăng ñiện áp UBE giảm làm cho IB cũng giảm

ðặc tuyến ra của transistor mắc CC mô tả quan hệ giữa dòng IE và ñiện áp UCE khi dòng vào IB không ñổi ðặc tuyến truyền ñạt trong trường hợp này mô tả quan hệ giữa dòng ra IE và dòng vào IB khi ñiện áp UCE không ñổi Trong thực tế có thể coi IC ≈ IE cho nên ñặc tuyến ra và ñặc tuyến truyền ñạt (trường hợp mắc chung collecter ) tương tự như trường hợp mắc chung emitter

2.3 Phân cực transistor

2.3.1 Nguyên tắc chung phân cực transistor

Muốn transistor làm việc như một phần tử tích cực thì các phần tử của transistor phải thảo mãn ñiều kiện thích hợp những tham số này của transistor như ở mục trước ñã biết, phụ thuộc rất nhiều vào ñiện áp phân cực các chuyển tiếp collecter và emitter Nói một cách khác các giá trị tham số phụ thuộc vào ñiểm công tác của transistor

2.3.2 Phân cực transistor bằng dòng cố ñịnh

Nếu transistor ñược mắc như hình 2.14, dòng IB từ nguồn một chiều cung cấp cho transistor sẽ không ñổi, bởi vậy người ta gọi ñiều kiện phân cực này là phân cực bằng dòng không ñổi Có thể có hai cách tạo ra dòng cố ñịnh, trường hợp thứ nhất như hình 2.14a dùng một nguồn một chiều Ecc Dòng IB ñược cố ñịnh bằng Ecc và RB Từ hình 2.14a tính ñược:

(2.6)

Trang 10

Hình 2.14: Mạch phân cực dòng không ñổi a) Mạch một nguồn; b) Mạch hai nguồn

Trường hợp thứ hai như hlnh 2.14b Người ta dùng hai nguồn một chiều Hai mạch này hoàn toàn tương ñương nhau Nếu Ecc = UBB có thể thay bằng 2.14a

Căn cứ vào sơ ñồ nguyên lí hình 2.14a, có thể suy ra những biểu thức cho việc tính toán thiết kế mạch phân cực dòng cố ñịnh áp dụng ñịnh luật Kirchhoff (Kirchhoff cho vòng mạch base và chú ý rằng ở ñây UBB = Ecc có thể viết:

Ecc = IB RB+ UBE (2.8)

Khi làm việc chuyển tiếp emitter luôn phân cực thuận cho nên UBE thường rất nhỏ

(từ 0,2v ñền 0,7V) và trong biểu thức (2.9) có thể bỏ qua, như vậy có thể viết:

Ecc=IB.RB (2.9)

Trong mạch collecter có thể viết:

Ecc = IcRt + UcE (2.11) Biểu thức (2.11) thường gọi là phương trình ñường tải, ở ñây giá trị Ecc và Rt cố ñịnh, từ (2.11) có thể thấy rằng Ic tăng thì UCE giảm và ngược lại Ic giảm thì UCE tăng

(2.10)

Định dạng
Số trang	21
Dung lượng	607,41 KB