Transitor lưỡng cực (Bipolar junction transistor - BJT)

Ta biết rằng khi pha chất cho (donor) vào thanh bán dẫn tinh khiết, ta được chất bán dẫn loại N. Các điện tử tự do (còn thừa của chất cho) có mức năng lượng trung bình ở gần dải dẫn điện (mức năng lượng Fermi được nâng lên). Tương tự, nếu chất pha là chất nhận (acceptor), ta có chất bán dẫn loại P. Các lỗ trống của chất nhận có mức năng lượng trung bình nằm gần dải hoá trị hơn (mức năng lượng Fermi giảm xuống).

Khi nối P-N được xác lập, một rào điện thế sẽ được tạo ra tại nối. Các điện tử tự do trong vùng N sẽ khuếch tán sang vùng P và ngược lại, các lỗ trống trong vùng P khuếch tán sang vùng N. Kết quả là tại hai bên mối nối, bên vùng N là các ion dương, bên vùng P là các ion âm. Chúng đã tạo ra rào điện thế.

Hiện tượng này cũng được thấy tại hai nối của transistor. Quan sát vùng hiếm, ta thấy rằng kích thước của vùng hiếm là một hàm số theo nồng độ chất pha. Nó rộng ở vùng chất pha nhẹ và hẹp ở vùng chất pha đậm.

n+Vùng phátMức Fermi tăng caopVùng nềnn-Vùng thuVùng hiếmMức Fermi giảmMức Fermi tăng nhẹn+ Vùng phátp Vùng nềnn- Vùng thuDải dẫn điệnDải hoá trịE(eV)Mức Fermi xếp thẳngDải hoá trị (valence band)Dải dẫn điện(Conductance band)Hình 2Hình sau đây mô tả vùng hiếm trong transistor NPN, sự tương quan giữa mức năng lượng Fermi, dải dẫn điện, dải hoá trị trong 3 vùng, phát nền, thu của transistor.

Trong ứng dụng thông thường (khuếch đại), nối phát nền phải được phân cực thuận trong lúc nối thu nền phải được phân cực nghịch.

Vì nối phát nền được phân cực thuận nên vùng hiếm hẹp lại. Nối thu nền được phân cực nghịch nên vùng hiếm rộng ra.

Nhiều điện tử từ cực âm của nguồn VEE đi vào vùng phát và khuếch tán sang vùng nền. Như ta đã biết, vùng nền được pha tạp chất ít và rất hẹp nên số lỗ trống không nhiều, do đó lượng lỗ trống khuếch tán sang vùng phát không đáng kể.

Hình 3n+Phân cực thuậnpn-Phân cực nghịchDòng điện tửIEICIBDòng điện tửVEEVCCRERCMạch phân cực như sau:

Do vùng nền hẹp và ít lỗ trống nên chỉ có một ít điện tử khuếch tán từ vùng phát qua tái hợp với lỗ trống của vùng nền. Hầu hết các điện tử này khuếch tán thẳng qua vùng thu và bị hút về cực dương của nguồn VCC.

Các điện tử tự do của vùng phát như vậy tạo nên dòng điện cực phát IE chạy từ cực phát E. Các điện tử từ vùng thu chạy về cực dương của nguồn VCC tạo ra dòng điện thu IC chạy vào vùng thu.

Mặt khác, một số ít điện tử là hạt điện thiểu số của vùng nền chạy về cực dương của nguồn VEE tạo nên dòng điện IB rất nhỏ chạy vào cực nền B.

Như vậy, theo định luật Kirchoff, dòng điện IE là tổng của các dòng điện IC và IB.

Ta có: IE=IC+IB size 12{I rSub { size 8{E} } =I rSub { size 8{C} } +I rSub { size 8{B} } } {}

Dòng IB rất nhỏ (hàng microampere) nên ta có thể coi như: IE # IC

Khi sử dụng, transistor được ráp theo một trong 3 cách căn bản sau:

• Ráp theo kiểu cực nền chung (1)
• Ráp theo kiểu cực phát chung (2)
• Ráp theo kiểu cực thu chung (3)

IEICvàoraKiểu cực nền chungIBIEvàoraKiểu cực thu chungIBICvàoraKiểu cực phát chungHình 4

Trong 3 cách ráp trên, cực chung chính là cực được nối mass và dùng chung cho cả hai ngõ vào và ngõ ra.

Trong mỗi cách ráp, người ta định nghĩa độ lợi dòng điện một chiều như sau:

Ñoä lôïi doøng ñieân = Doøng ñieän ngoû ra Doøng ñieän ngoû vaøo size 12{"Ñoä lôïi doøng ñieân"= { {"Doøng ñieän ngoû ra"} over {"Doøng ñieän ngoû vaøo"} } } {}

Độ lợi dòng điện của transistor thường được dùng là độ lợi trong cách ráp cực phát chung và cực nền chung. Độ lợi dòng điện trong cách ráp cực phát chung được cho bởi:

h FE ≈ β DC = I C I B size 12{h rSub { size 8{ ital "FE"} } approx β rSub { size 8{ ital "DC"} } = { {I rSub { size 8{C} } } over {I rSub { size 8{B} } } } } {}

Như vậy: IC = DC.IB

Nhưng: IE = IC + IB = DC.IB+IB

 IE = (DC + 1).IB

Độ lợi dòng điện trong cách ráp cực nền chung được cho bởi:

h FB ≈ α DC = I C I E size 12{h rSub { size 8{ ital "FB"} } approx α rSub { size 8{ ital "DC"} } = { {I rSub { size 8{C} } } over {I rSub { size 8{E} } } } } {}

DC có trị số từ vài chục đến vài trăm, thậm chí có thể lên đến hàng ngàn. DC có trị từ 0,95 đến 0,999… tuỳ theo loại transistor. Hai thông số DC và DC được nhà sản xuất cho biết.

Từ phương trình căn bản:

IE = IC + IB

Ta có: IC = IE – IB

Chia cả hai vế cho IC, ta được:

1 = I E I C − I B I C = 1 I C I E − 1 I C I B size 12{1= { {I rSub { size 8{E} } } over {I rSub { size 8{C} } } } - { {I rSub { size 8{B} } } over {I rSub { size 8{C} } } } = { {1} over { { {I rSub { size 8{C} } } over {I rSub { size 8{E} } } } } } - { {1} over { { {I rSub { size 8{C} } } over {I rSub { size 8{B} } } } } } } {}

Như vậy: 1=1αDC−1βDC size 12{1= { {1} over {α rSub { size 8{ ital "DC"} } } } - { {1} over {β rSub { size 8{ ital "DC"} } } } } {}

Giải phương trình này để tìm DC hay DC, ta được:

βDC=αDC1−αDC size 12{β rSub { size 8{ ital "DC"} } = { {α rSub { size 8{ ital "DC"} } } over {1 - α rSub { size 8{ ital "DC"} } } } } {} và αDC=βDC1+βDC size 12{α rSub { size 8{ ital "DC"} } = { {β rSub { size 8{ ital "DC"} } } over {1+β rSub { size 8{ ital "DC"} } } } } {}

* Ghi chú: các công thức trên là tổng quát, nghĩa là vẫn đúng với transistor PNP.

Ta chú ý dòng điện thực chạy trong hai transistor PNP và NPN có chiều như sau:

IEICIEIBNPNICIBPNPHình 5

Thí dụ:

Một transistor NPN, Si được phân cực sau cho IC = 1mA và IB = 10A.

Tính DC, IE, DC.

Giải: từ phương trình:

βDC=ICIB size 12{β rSub { size 8{ ital "DC"} } = { {I rSub { size 8{C} } } over {I rSub { size 8{B} } } } } {}, Ta có: βdc=1mA10μA=100 size 12{β rSub { size 8{ ital "dc"} } = { {1 ital "mA"} over {"10"μA} } ="100"} {}

Từ phương trình:

IE = IC + IB, ta có: IE = 1mA + 0,01mA = 1,01mA

Và từ phương trình: αDC=ICIE=1mA1,01mA=0,99 size 12{α"" lSub { size 8{ ital "DC"} } = { {I rSub { size 8{C} } } over {I rSub { size 8{E} } } } = { {1 ital "mA"} over {1,"01" ital "mA"} } =0,"99"} {}

Một transistor Si PNP có DC = 50 khi IE = 1,5mA. Xác định IC.

Giải:

α DC = β DC 1 + β DC = 50 1 + 50 = 0, 98 size 12{α rSub { size 8{ ital "DC"} } = { {β rSub { size 8{ ital "DC"} } } over {1+β rSub { size 8{ ital "DC"} } } } = { {"50"} over {1+"50"} } =0,"98"} {}

IC = DC.IE = 0,98 x 1,5 = 1,47mA

Vì nối thu nền thường được phân cực nghịch nên cũng có một dòng điện rỉ ngược (bảo hoà nghịch) đi qua mối nối như trong trường hợp diode được phân cực nghịch. Dòng điện rỉ ngược này được ký hiệu là ICBO, được nhà sản xuất cho biết, được mô tả bằng hình vẽ sau:

IE = 0ICBOICBOVCCRCCực Eđể hởCurrent (dòng điện)Base (cực nền)Openemitter (cực phát hở)Collector (cực thu)Hình 6

Đây là dòng điện đi từ cực thu qua cực nền khi cực phát để hở. Hình vẽ sau đây cho ta thấy thành phần các dòng điện chạy trong transistor bao gồm cả dòng điện ICBO.

Hình 7n+pn-IEIC = DCIE + ICBOVEEVCCRERCDCIEICBOIEIB

Như vậy, ta có: IC = DCIE + ICBO

Nếu ICBO xấp xỉ 0, xem như không đáng kể.

Ta có: IC  DCIE

Đó là công thức lý tưởng mà ta đã thấy ở phần trên. Ngoài ta, từ phương trình dòng điện căn bản:

IE = IB + IC

Suy ra, IC = DC(IC + IB) + ICBO

IC = DCIC + DC IB + ICBO

Ta tìm thấy:

I C = α DC 1 − α DC I B + I CBO 1 − α DC size 12{I rSub { size 8{C} } = { {α rSub { size 8{ ital "DC"} } } over {1 - α rSub { size 8{ ital "DC"} } } } I rSub { size 8{B} } + { {I rSub { size 8{ ital "CBO"} } } over {1 - α rSub { size 8{ ital "DC"} } } } } {}

Nhưng: βDC=αDC1−αDC size 12{β rSub { size 8{ ital "DC"} } = { {α rSub { size 8{ ital "DC"} } } over {1 - α rSub { size 8{ ital "DC"} } } } } {} 1+βDC=αDC1−αDC+1 size 12{1+β rSub { size 8{ ital "DC"} } = { {α rSub { size 8{ ital "DC"} } } over {1 - α rSub { size 8{ ital "DC"} } } } +1} {}

1 + β DC = α DC + 1 − α DC 1 − α DC = 1 1 − α DC size 12{1+β rSub { size 8{ ital "DC"} } = { {α rSub { size 8{ ital "DC"} } +1 - α rSub { size 8{ ital "DC"} } } over {1 - α rSub { size 8{ ital "DC"} } } } = { {1} over {1 - α rSub { size 8{ ital "DC"} } } } } {}

Thay vào phương trình trên, ta tìm được:

IC = DCIB + (DC + 1)ICBO

Người ta đặt: ICEO = (DC + 1)ICBO và phương trình trên được viết lại:

IC = DCIB + ICEO

RCHình 8ICEOVCCIB = 0Cực nền hởICEOCurrent (dòng điện)Emitter (cực phát)Openbase (cực nền hở)Collector (cực thu)Như vậy, ta có thể hiểu dòng điện rỉ ICEO như là dòng điện chạy từ cực C qua cực E của transistor khi cực B để hở. Trị số của ICEO cũng được nhà sản xuất cho biết.

Các thông số DC, DC, ICBO, ICEO rất nhạy với nhiệt độ.

Người ta thường chú ý đến 3 loại đặc tuyến của transistor:

• Đặc tuyến ngõ vào.
• Đặc tuyến ngõ ra
• Đặc tuyến truyền

I1I2BJTV2V1Ngõ ra V22V11 Ngõ vàoR1R2Hình 9Mạch tổng quát để xác định 3 đặc tuyến trên được biểu diễn bằng mô hình sau:

Điểm cần chú ý: tuỳ theo loại transistor và các cách ráp mà nguồn V11, V22 phải mắc đúng cực (sao cho nối thu nền phân cực nghịch và nối phát nền phân cực thuận). Các Ampe kế I1, I2, các volt kế V1 và V2 cũng phải mắc đúng chiều.

Chúng ta khảo sát hai cách mắc căn bản:L

VEEVCCVBEVCB++IEICRERCVàoRaHình 18Ta xem mạch dùng transistor BJT NPN trong mô hình cực nền chung như sau:

Để xác định điểm tỉnh điều hành Q và đường thẳng lấy điện một chiều, người ta thường dùng 3 bước:

1. Mạch ngõ vào:

Ta có: VBE + REIE - VEE = 0

⇒ I E = V EE − V BE R E size 12{ drarrow I rSub { size 8{E} } = { {V rSub { size 8{ ital "EE"} } - V rSub { size 8{ ital "BE"} } } over {R rSub { size 8{E} } } } } {}

Chú ý là VBE = 0,7V với BJT là Si và VBE = 0,3V nếu BJT là Ge.

2. Từ công thức IC = DCIE  IE.

Suy ra dòng điện cực thu IC.

3. Mạch ngõ ra:

Ta có: VCB - VCC + RCIC = 0

⇒ I C = − V CB R C + V CC R C size 12{ drarrow I rSub { size 8{C} } = - { {V rSub { size 8{ ital "CB"} } } over {R rSub { size 8{C} } } } + { {V rSub { size 8{ ital "CC"} } } over {R rSub { size 8{C} } } } } {}

Đây là phương trình đường thẳng lấy điện một chiều (đường thẳng lấy điện tỉnh). Trên đặc tuyến ra, giao điểm của đường thẳng lấy điện với IE tương ứng (thông số) của đặc tuyến ra chính là điểm tỉnh điều hành Q.

Ta chú ý rằng:

• Khi VCB = 0 ⇒IC=ISH=VCCRC size 12{ drarrow I rSub { size 8{C} } =I rSub { size 8{ ital "SH"} } = { {V rSub { size 8{ ital "CC"} } } over {R rSub { size 8{C} } } } } {} (Dòng điện bảo hoà)
• Khi IC = 0 (dòng ngưng), ta có: VCB = VCC = VOC

VCB(Volt)0IC (mA)IE = 6mAIE = 5mAIE = 4mAIE = 3mAIE = 2mAIE = 1mA0mAQVCBQVCB=VCC=VOCHình 19

Một số nhận xét:

Để thấy ảnh hưởng tương đối của RC,VCC, IE lên điểm điều hành, ta xem ví dụ sau đây:

1. Ảnh hưởng của điện trở cực thu RC: RC = 1,5K; 2K; 3 K

VEE = 1VVCC = 12VIE = 3mAICRE = 100Hình 20RC

Ta có: IE=VEE−VBERE=1−1,70,1=3mA≈IC size 12{I rSub { size 8{E} } = { {V rSub { size 8{ ital "EE"} } - V rSub { size 8{ ital "BE"} } } over {R rSub { size 8{E} } } } = { {1 - 1,7} over {0,1} } =3 ital "mA" approx I rSub { size 8{C} } } {}

* Khi RC = 2 K, IC=−VCBRC+VCCRC size 12{I rSub { size 8{C} } = - { {V rSub { size 8{ ital "CB"} } } over {R rSub { size 8{C} } } } + { {V rSub { size 8{ ital "CC"} } } over {R rSub { size 8{C} } } } } {}

VCB(Volt)0IC (mA)IE = 3mAQ24681012VOCHình 21654321 3=−VCB2+122⇒VCB=6mA size 12{3= - { {V rSub { size 8{ ital "CB"} } } over {2} } + { {"12"} over {2} } drarrow V rSub { size 8{ ital "CB"} } =6 ital "mA"} {}

* Khi RC = 1,5 K (RC giảm), giữ RE, VEE, VCC không đổi.

IC # IE # 3mA

VCB = VCC - RC.IC = 12 - 1,5x3 =7,5V

VCB(Volt)0IC (mA)IE = 3mAQ24681012VOCHình 22876543217,5V ISH=VCCRC=121,5=8mA size 12{I rSub { size 8{ ital "SH"} } = { {V rSub { size 8{ ital "CC"} } } over {R rSub { size 8{C} } } } = { {"12"} over {1,5} } =8 ital "mA"} {}

* Khi RC = 3 K (RC tăng)

IC # IE =3mA

VCB = VCC - RC.IC = 12 - 3x3 = 3V

I SH = V CC R C = 12 3 = 4 mA size 12{I rSub { size 8{ ital "SH"} } = { {V rSub { size 8{ ital "CC"} } } over {R rSub { size 8{C} } } } = { {"12"} over {3} } =4 ital "mA"} {}

VCB(Volt)0IC (mA)IE = 3mAQ24681012VOCHình 234321

Như vậy, khi giữ các nguồn phân cực VCC, VEE và RE cố định, thay đổi RC, điểm điều hành Q sẽ chạy trên đặc tuyến tương ứng với IE = 3mA. Khi RC tăng thì VCB giảm và ngược lại.

2. Ảnh hưởng của nguồn phân cực nối thu nền VCC.

Nếu giữ IE là hằng số (tức VEE và RE là hằng số), RC là hằng số, thay đổi nguồn VCC, ta thấy: Khi VCC tăng thì VCB tăng, khi VCC giảm thì VCB giảm.

Thí dụ:

VEE = 1VVCC: 10V12V14V+RE = 100Hình 24RC = 2KICIC (mA)765432124681012140IE =3 (mA)VCBQ1Q1Q2VCC = 14VVCC = 12VVCC = 10V

3. Ảnh hưởng của IE lên điểm điều hành:

Hình 25IC (mA)765432124681012140IE =3 (mA)VCBQ3QIE =2 (mA)IE =1 (mA)IE =4 (mA)IE =5 (mA)IE =6 (mA)Q1Q2TăngGiảmQ4ICBONếu ta giữ RC và VCC cố định, thay đổi IE (tức thay đổi RE hoặc VEE) ta thấy: khi IE tăng thì VCB giảm (tức IC tăng), khi IC giảm thì VCB tăng (tức IC giảm).

Khi IE tăng thì IC tăng theo và tiến dần đến trị ISH. Transistor dần dần đi vào vùng bảo hoà. Dòng tối đa của IC, tức dòng bảo hoà gọi là IC(sat). Như vậy:

I C ( sat ) = I SH = V CC R C size 12{I rSub { size 8{C} } ( ital "sat" ) =I rSub { size 8{ ital "SH"} } = { {V rSub { size 8{ ital "CC"} } } over {R rSub { size 8{C} } } } } {}

Lúc này, VCB giảm rất nhỏ và xấp xĩ bằng 0V (thật sự là 0,2V).

Khi IE giảm thì IC giảm theo. Transistor đi dần vào vùng ngưng, VCB lúc đó gọi là VCB(off) và IC = ICBO.

Như vậy, VCB(off) = VOC = VCC.

Vùng bảo hoà và vùng ngưng là vùng hoạt động không tuyến tính của BJT.

Đối với mạch cực phát chung, ta cũng có thể khảo sát tương tự.

ECBTransistor NPNECBTransistor PNPECBDCIEIEIC=DCIEIEECBDCIEIEIC=DCIEIEHình 26Qua khảo sát ở phần trước, người ta có thể dùng kiểu mẫu gần đúng sau đây của transistor trong mạch điện một chiều:

Tuy nhiên, khi tính các thành phần dòng điện và điện thế một chiều của transistor, người ta thường tính trực tiếp trên mạch điện với chú ý là điện thế thềm VBE khi phân cực thuận là 0,3V đối với Ge và 0,7V đối với Si.

Thí dụ 1: tính IE, IC và VCB của mạch cực nền chung như sau:

SiHình 27VEEVCCRERC0,7V VCBICIESiVEEVCCRERC0,7V VCBICIE++--++--

Ta dùng 3 bước:

Mạch nền phát (ngõ vào): IE=VEE−0,7RE size 12{I rSub { size 8{E} } = { {V rSub { size 8{ ital "EE"} } - 0,7} over {R rSub { size 8{E} } } } } {}; IC # DC # IE

Áp dụng định luật kirchoff (ngõ ra), ta có:

• Với transistor NPN: VCB = VCC - RC.IC; VCB > 0
• Với transistor PNP: VCB = -VCC + RC.IC; VCB <0

-Hình 28VBBVCCRBRC0,7V + VCEICIB-++VBBVCCRBRC0,7V - VCEICIB-+Thí dụ 2: Tính dòng điện IB, IC và điện thế VCE của mạch cực phát chung.

Mạch nền phát (ngõ vào): IB=VBB−0,7RB size 12{I rSub { size 8{B} } = { {V rSub { size 8{ ital "BB"} } - 0,7} over {R rSub { size 8{B} } } } } {}

Dòng IC = DC .IB

Mạch thu phát (ngõ ra)

• Với transistor NPN: VCE = VCC -RC IC >0
• Với transistor PNP: VCE = -VCC + RC.IC <0

Đây chính là phương trình đường thẳng lấy điện tỉnh trong mạch cực phát chung.