hpco
16-04-2013, 09:31 AM
Bài 3 - Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor)
Bài 1 - Lý thuyết bán dẫn (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2787-bai-1-ly-thuyet-ban-dan.html#post4991)
Bài 2- Phân tích mạch chứa diode (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2788-bai-2-phan-tich-mach-chua-diode.html#post4996)
Bài 3 - Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor) (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2798-bai-3-transistor-luong-cuc-bipolar-junction-transistor.html)
Bài 4 - Transistor hiệu ứng trường (Field-Effect Transistors) (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2789-bai-4-transistor-hieu-ung-truong-field-effect-transistors.html)
Bài 5 - Các mạch khuếch đại BJT tín hiệu nhỏ (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2790-bai-5-cac-mach-khuech-dai-bjt-tin-hieu-nho.html)
Bài 6 - Mạch khuếch đại đa tầng (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2791-bai-6-mach-khuech-dai-da-tang.html)
Bài 7 - Khuếcg đại hồi tiếp âm và dao động sin (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2792-bai-7-khuecg-dai-hoi-tiep-am-va-dao-dong-sin.html)
Bài 8 - Các mạch sử dụng OPAMP (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2793-bai-8-cac-mach-su-deng-opamp.html)
Bài 9 - Mạch sửa dạng sóng tuyến tính RC (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2794-bai-9-mach-sua-dang-song-tuyen-tinh-rc.html)
Bài 10 - Mạch xén và mạch so sánh (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2795-bai-10-mach-xen-va-mach-so-sanh.html)
Bài 11 - Mạch kẹp và mạch giao hoán (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2796-bai-11-mach-kep-va-mach-giao-hoan.html)
Bài 12 - Mạch dao động đa hài (multivibrator) (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2797-bai-12-mach-dao-dong-da-hai-multivibrator.html)
3-1 Giới thiệuTransistor là một linh kiện rất quan trọng trong điện tử, bao gồm cả các mạch điện tử rời rạc và các mạch tích hợp. Sự quan trọng của thiết bị này xuất phát từ khả năng của nó trong việc tạo ra các bộ khuếch đại. Một mạch được xem là mạch khuếch đại khi nó có khả năng sử dụng các thay đổi nhỏ của dòng hoặc áp ở ngõ vào để tạo ra các thay đổi lớn hơn ở ngõ ra. Tín hiệu nhỏ được xem là ngõ vào của bộ khuếch đại, tín hiệu lớn nhận được là ngõ ra của bộ khuếch đại.
Hai dạng transistor quan trọng nhất là transistor lưỡng cực tính (Bipolar Junction Transistor – BJT) và transistor hiệu ứng trường (Field Effect Transistor – FET). BJT sử dụng hai loại hạt dẫn để tạo ra dòng điện là lỗ trống và electron tự do, do đó nó được gọi là lưỡng cực. Chúng ta sẽ tìm hiểu BJT trong chương này. Hoạt động của FET sẽ được đề cập ở những chương sau.
BJT là loại transistor được phát triển đầu tiên và kể từ đó nó được sử dụng rộng rãi trong điện tử. Ngày nay, BJT vẫn còn giữ một vai trò quan trọng trong công nghiệp bán dẫn. Tuy nhiên, kỹ thuật FET ngày nay đã phát triển rất nhiều và thậm chí nó được sử dụng nhiều hơn cả BJT trong các mạch tích hợp.
3-2 Lý thuyết hoạt động của BJT
Transistor lưỡng cực tính (BJT) là một linh kiện ba cực được tạo nên từ hai chuyển tiếp PN. Nó có thể được tạo nên từ một thanh bán dẫn được kích thích sao cho mật độ hạt dẫn thay đổi dần từ N sang P và trở lại N hoặc từ P chuyển sang N rồi trở lại P. Trong cả hai trường hợp, mỗi chuyển tiếp sẽ được hình thành tại ranh giới của sự chuyển đổi tính chất bán dẫn từ loại N (hoặc P) sang loại P (hoặc N). Hình 3-1 cho thấy hai dạng BJT.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image002.gif
Khi BJT được tạo nên bằng cách đặt bán dẫn loại P giữa hai bán dẫn loại N như hình 3-1(a), nó được gọi là BJT loại NPN. Ngược lại, hình 3-1(b) cho thấy cấu trúc của BJT loại PNP.
Vùng bán dẫn nằm giữa được gọi là miền nền (base). Hai vùng hai bên, một vùng được gọi là miền phát (emitter) và một vùng được gọi là miền thu (collector). Ở các phần sau ta sẽ dùng cả thuật ngữ tiếng Việt hoặc tiếng Anh để chỉ các cực và các miền của transistor. Thông thường, trong các BJT rời, các miền này được gắn với các chân linh kiện nối ra bên ngoài để có thể thực hiện các kết nối với mạch ngoài. Các BJT trong các mạch tích hợp có thể không có các chân kết nối này. Các chân linh kiện được đặt theo tên của miền mà nó kết nối vào. Hình 3-2 trình bày các chân linh kiện được kết nối với các vùng trong BJT.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image004.gif
Trong thực tế, BJT được chế tạo với miền nền rất hẹp và mật độ hạt dẫn trong nó cũng rất thấp do nó được kích thích với rất ít tạp chất. Cả hai đặc điểm này đều rất quan trọng đối với một transistor.
Vì cả hai loại BJT này đều có đặc tính giống nhau do đó ta chỉ xem xét trên loại NPN. Các tính chất cả loại PNP có thể suy ra từ NPN bằng cách thay đổi loại hạt dẫn, cực tính của điện áp cũng như chiều dòng điện như ta sẽ thấy trong phần sau. Để BJT có thể hoạt động bình thường trong chế độ khuếch đại, cần phải phân cực cả hai chuyển tiếp của BJT. Chuyển tiếp giữa miền nền và miền phát http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image006.gif phải phân cực thuận và chuyển tiếp giữa miền nền và miền thu http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image008.gif phải phân cực ngược. Hình 3-3 trình bày cách thức phân cực cho cả hai chuyển tiếp.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image010.gif
Ta có thể thấy là trong hình 3-3(a), chuyển tiếp http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image006.gif được phân cực thuận bởi nguồn áp http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image013.gif. Khi chuyển tiếp này được phân cực thuận, dòng khuếch tán của các electron tự do sẽ được “phát” đi từ miền phát emitter, bề rộng vùng nghèo thu hẹp. Ta đã biết đến điều này khi xét phân cực của một chuyển tiếp trong chương 2. Ta nói rằng hạt dẫn được phun (injected) từ emitter vào miền nền base. Thật ra khi http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image006.gif được phân cực thuận, còn có dòng lỗ trống đi từ base sang emitter, tuy nhiên như ta đã đề cập ở phần trên, vì mật độ hạt dẫn trong miền nền rất thấp nên ta có thể bỏ qua dòng này so với dòng electron tự do phát đi từ emitter.
Hình 3-3(b) trình bày phân cực ngược chuyển tiếp http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image008.gif được thực hiện bằng nguồn http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image015.gif. Kết quả của phân cực ngược là bề rộng vùng nghèo mở rộng, dòng điện chỉ có thể đi từ miền nền base sang miền thu collector vì là dòng của các hạt dẫn thiểu số. Tuy nhiên, như phân tích ở phần trên, các electron tự do được phun vào miền nền sẽ trở thành hạt dẫn thiểu số, các electron này sẽ tiếp tục trôi sang miền thu collector dưới tác dụng của phân cực ngược.
Hình 3-4 cho thấy transistor NPN khi được phân cực đồng thời cả hai chuyển tiếp . Chú ý là miền nền base được nối đất, tức là điểm có điện thế được qui ước là 0 volts. Miền phát emitter âm so với miền nền base và miền thu collector dương so với miền nền base. Đây là điều kiện cần thiết để phân cực thuận http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image006.gif và phân cực ngược http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image008.gif.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image017.gif (http://diendandien.com)
Vì miền nền hẹp và mật độ hạt dẫn rất thấp do đó rất ít electron bị tái hợp trong miền này. Các electron này sẽ khuếch tán sang miền thu dưới tác dụng của phân cực ngược http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image008.gif. Chúng ta kết luận là dòng electron là dòng chi phối trong transistor NPN. Đối với transistor PNP, dòng lỗ trống sẽ là dòng chi phối chủ yếu.
Trong thực tế, mặc dù mật độ lỗ trống trong miền nền rất thấp, quá trình tái hợp vẫn có thể xảy ra. Khi mỗi electron tái hợp với một lỗ trống, một electron sẽ rời miền nền thông qua cực nền B sinh ra một dòng nền rất nhỏ, giá trị của nó chỉ khoảng http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image019.gif dòng electron phát đi từ emitter.
Trong hình 3-4, mũi tên được vẽ để chỉ hướng qui ước của dòng trong transistor NPN, hướng này là ngược với hướng của dòng electron. Dòng qui ước chảy từ http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image015.gif vào cực C được gọi là dòng cực thu, hoặc dòng collector http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image022.gif. Dòng chảy vào cực nền được gọi là dòng nền, hoặc dòng base http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image024.gif, và dòng từ http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image013.gif chảy vào cực phát được gọi là dòng cực phát, hoặc dòng emitter IE. Hình 3-5(a) trình bày biểu tượng mạch của một transistor NPN. Hình 3-6(a) là biểu tượng của transistor PNP. So sánh hình 3-5 và hình 3-6, chúng ta cần phải để ý chiều của mũi tên tại cực E, để dễ nhớ, ta có thể xem là mũi tên này chỉ chiều qui ước của dòng điện. Hơn nữa, cực tính của nguồn http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image015.gif và http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image013.gif là ngược nhau cho BJT loại NPN và PNP.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image027.gif (http://diendandien.com)
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image029.gif
Để nhấn mạnh và làm rõ hơn hoạt động của BJT, hình 3-7 thay biểu tượng BJT bằng một khối và chỉ rõ chiều dòng điện chảy vào và ra khỏi khối. Áp dụng định luật Kirchhoff ta có:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image031.gif (3-1)
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image033.gif (http://diendandien.com)
Bài 1 - Lý thuyết bán dẫn (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2787-bai-1-ly-thuyet-ban-dan.html#post4991)
Bài 2- Phân tích mạch chứa diode (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2788-bai-2-phan-tich-mach-chua-diode.html#post4996)
Bài 3 - Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor) (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2798-bai-3-transistor-luong-cuc-bipolar-junction-transistor.html)
Bài 4 - Transistor hiệu ứng trường (Field-Effect Transistors) (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2789-bai-4-transistor-hieu-ung-truong-field-effect-transistors.html)
Bài 5 - Các mạch khuếch đại BJT tín hiệu nhỏ (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2790-bai-5-cac-mach-khuech-dai-bjt-tin-hieu-nho.html)
Bài 6 - Mạch khuếch đại đa tầng (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2791-bai-6-mach-khuech-dai-da-tang.html)
Bài 7 - Khuếcg đại hồi tiếp âm và dao động sin (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2792-bai-7-khuecg-dai-hoi-tiep-am-va-dao-dong-sin.html)
Bài 8 - Các mạch sử dụng OPAMP (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2793-bai-8-cac-mach-su-deng-opamp.html)
Bài 9 - Mạch sửa dạng sóng tuyến tính RC (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2794-bai-9-mach-sua-dang-song-tuyen-tinh-rc.html)
Bài 10 - Mạch xén và mạch so sánh (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2795-bai-10-mach-xen-va-mach-so-sanh.html)
Bài 11 - Mạch kẹp và mạch giao hoán (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2796-bai-11-mach-kep-va-mach-giao-hoan.html)
Bài 12 - Mạch dao động đa hài (multivibrator) (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2797-bai-12-mach-dao-dong-da-hai-multivibrator.html)
3-1 Giới thiệuTransistor là một linh kiện rất quan trọng trong điện tử, bao gồm cả các mạch điện tử rời rạc và các mạch tích hợp. Sự quan trọng của thiết bị này xuất phát từ khả năng của nó trong việc tạo ra các bộ khuếch đại. Một mạch được xem là mạch khuếch đại khi nó có khả năng sử dụng các thay đổi nhỏ của dòng hoặc áp ở ngõ vào để tạo ra các thay đổi lớn hơn ở ngõ ra. Tín hiệu nhỏ được xem là ngõ vào của bộ khuếch đại, tín hiệu lớn nhận được là ngõ ra của bộ khuếch đại.
Hai dạng transistor quan trọng nhất là transistor lưỡng cực tính (Bipolar Junction Transistor – BJT) và transistor hiệu ứng trường (Field Effect Transistor – FET). BJT sử dụng hai loại hạt dẫn để tạo ra dòng điện là lỗ trống và electron tự do, do đó nó được gọi là lưỡng cực. Chúng ta sẽ tìm hiểu BJT trong chương này. Hoạt động của FET sẽ được đề cập ở những chương sau.
BJT là loại transistor được phát triển đầu tiên và kể từ đó nó được sử dụng rộng rãi trong điện tử. Ngày nay, BJT vẫn còn giữ một vai trò quan trọng trong công nghiệp bán dẫn. Tuy nhiên, kỹ thuật FET ngày nay đã phát triển rất nhiều và thậm chí nó được sử dụng nhiều hơn cả BJT trong các mạch tích hợp.
3-2 Lý thuyết hoạt động của BJT
Transistor lưỡng cực tính (BJT) là một linh kiện ba cực được tạo nên từ hai chuyển tiếp PN. Nó có thể được tạo nên từ một thanh bán dẫn được kích thích sao cho mật độ hạt dẫn thay đổi dần từ N sang P và trở lại N hoặc từ P chuyển sang N rồi trở lại P. Trong cả hai trường hợp, mỗi chuyển tiếp sẽ được hình thành tại ranh giới của sự chuyển đổi tính chất bán dẫn từ loại N (hoặc P) sang loại P (hoặc N). Hình 3-1 cho thấy hai dạng BJT.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image002.gif
Khi BJT được tạo nên bằng cách đặt bán dẫn loại P giữa hai bán dẫn loại N như hình 3-1(a), nó được gọi là BJT loại NPN. Ngược lại, hình 3-1(b) cho thấy cấu trúc của BJT loại PNP.
Vùng bán dẫn nằm giữa được gọi là miền nền (base). Hai vùng hai bên, một vùng được gọi là miền phát (emitter) và một vùng được gọi là miền thu (collector). Ở các phần sau ta sẽ dùng cả thuật ngữ tiếng Việt hoặc tiếng Anh để chỉ các cực và các miền của transistor. Thông thường, trong các BJT rời, các miền này được gắn với các chân linh kiện nối ra bên ngoài để có thể thực hiện các kết nối với mạch ngoài. Các BJT trong các mạch tích hợp có thể không có các chân kết nối này. Các chân linh kiện được đặt theo tên của miền mà nó kết nối vào. Hình 3-2 trình bày các chân linh kiện được kết nối với các vùng trong BJT.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image004.gif
Trong thực tế, BJT được chế tạo với miền nền rất hẹp và mật độ hạt dẫn trong nó cũng rất thấp do nó được kích thích với rất ít tạp chất. Cả hai đặc điểm này đều rất quan trọng đối với một transistor.
Vì cả hai loại BJT này đều có đặc tính giống nhau do đó ta chỉ xem xét trên loại NPN. Các tính chất cả loại PNP có thể suy ra từ NPN bằng cách thay đổi loại hạt dẫn, cực tính của điện áp cũng như chiều dòng điện như ta sẽ thấy trong phần sau. Để BJT có thể hoạt động bình thường trong chế độ khuếch đại, cần phải phân cực cả hai chuyển tiếp của BJT. Chuyển tiếp giữa miền nền và miền phát http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image006.gif phải phân cực thuận và chuyển tiếp giữa miền nền và miền thu http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image008.gif phải phân cực ngược. Hình 3-3 trình bày cách thức phân cực cho cả hai chuyển tiếp.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image010.gif
Ta có thể thấy là trong hình 3-3(a), chuyển tiếp http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image006.gif được phân cực thuận bởi nguồn áp http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image013.gif. Khi chuyển tiếp này được phân cực thuận, dòng khuếch tán của các electron tự do sẽ được “phát” đi từ miền phát emitter, bề rộng vùng nghèo thu hẹp. Ta đã biết đến điều này khi xét phân cực của một chuyển tiếp trong chương 2. Ta nói rằng hạt dẫn được phun (injected) từ emitter vào miền nền base. Thật ra khi http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image006.gif được phân cực thuận, còn có dòng lỗ trống đi từ base sang emitter, tuy nhiên như ta đã đề cập ở phần trên, vì mật độ hạt dẫn trong miền nền rất thấp nên ta có thể bỏ qua dòng này so với dòng electron tự do phát đi từ emitter.
Hình 3-3(b) trình bày phân cực ngược chuyển tiếp http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image008.gif được thực hiện bằng nguồn http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image015.gif. Kết quả của phân cực ngược là bề rộng vùng nghèo mở rộng, dòng điện chỉ có thể đi từ miền nền base sang miền thu collector vì là dòng của các hạt dẫn thiểu số. Tuy nhiên, như phân tích ở phần trên, các electron tự do được phun vào miền nền sẽ trở thành hạt dẫn thiểu số, các electron này sẽ tiếp tục trôi sang miền thu collector dưới tác dụng của phân cực ngược.
Hình 3-4 cho thấy transistor NPN khi được phân cực đồng thời cả hai chuyển tiếp . Chú ý là miền nền base được nối đất, tức là điểm có điện thế được qui ước là 0 volts. Miền phát emitter âm so với miền nền base và miền thu collector dương so với miền nền base. Đây là điều kiện cần thiết để phân cực thuận http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image006.gif và phân cực ngược http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image008.gif.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image017.gif (http://diendandien.com)
Vì miền nền hẹp và mật độ hạt dẫn rất thấp do đó rất ít electron bị tái hợp trong miền này. Các electron này sẽ khuếch tán sang miền thu dưới tác dụng của phân cực ngược http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image008.gif. Chúng ta kết luận là dòng electron là dòng chi phối trong transistor NPN. Đối với transistor PNP, dòng lỗ trống sẽ là dòng chi phối chủ yếu.
Trong thực tế, mặc dù mật độ lỗ trống trong miền nền rất thấp, quá trình tái hợp vẫn có thể xảy ra. Khi mỗi electron tái hợp với một lỗ trống, một electron sẽ rời miền nền thông qua cực nền B sinh ra một dòng nền rất nhỏ, giá trị của nó chỉ khoảng http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image019.gif dòng electron phát đi từ emitter.
Trong hình 3-4, mũi tên được vẽ để chỉ hướng qui ước của dòng trong transistor NPN, hướng này là ngược với hướng của dòng electron. Dòng qui ước chảy từ http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image015.gif vào cực C được gọi là dòng cực thu, hoặc dòng collector http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image022.gif. Dòng chảy vào cực nền được gọi là dòng nền, hoặc dòng base http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image024.gif, và dòng từ http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image013.gif chảy vào cực phát được gọi là dòng cực phát, hoặc dòng emitter IE. Hình 3-5(a) trình bày biểu tượng mạch của một transistor NPN. Hình 3-6(a) là biểu tượng của transistor PNP. So sánh hình 3-5 và hình 3-6, chúng ta cần phải để ý chiều của mũi tên tại cực E, để dễ nhớ, ta có thể xem là mũi tên này chỉ chiều qui ước của dòng điện. Hơn nữa, cực tính của nguồn http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image015.gif và http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image013.gif là ngược nhau cho BJT loại NPN và PNP.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image027.gif (http://diendandien.com)
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image029.gif
Để nhấn mạnh và làm rõ hơn hoạt động của BJT, hình 3-7 thay biểu tượng BJT bằng một khối và chỉ rõ chiều dòng điện chảy vào và ra khỏi khối. Áp dụng định luật Kirchhoff ta có:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image031.gif (3-1)
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/3_files/image033.gif (http://diendandien.com)