NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TUYẾN TĨNH CỦA TRANSISTOR

I. MỤC ĐÍNH THÍ NGHIỆM ̶ Vẽ các đặc tuyến tĩnh của transistor, xác định hệ số khuếch đại của transistor. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý làm việc của transistor Bán dẫn là những chất có điện trở suất lớn hơn của kim loại nhưng nhỏ hơn của điện môi, thành phần hạt mang điện bao gồm electron và lỗ trống. Bán dẫn pha tạp là chất bán dẫn được pha lẫn một ít tạp chất. Tuỳ vào chất pha tạp và nồng độ pha tạp mà độ dẫn điện của bán dẫn tăng lên hàng vạn, hàng triệu lần. Bán dẫn pha tạp được chia thành hai loại: loại p (positive), loại n (negative). Bán dẫn loại p có thành phần hạt mang điện cơ bản là lỗ trống, loại n có thành phần mang điện cơ bản là electron. Transistor là dụng cụ bán dẫn được cấu tạo từ ba phần có tính dẫn điện khác nhau. Nếu phần ở giữa là bán dẫn loại p thì hai bên là bán dẫn loại n (ta có transistor NPN), nếu phần ở giữa là bán dẫn loại n thì hai bên là bán dẫn loại p (ta có transistor PNP). Transistor có 3 miền bán dẫn: emitơ, bazơ, colector. Theo thói quen ta thường gọi transistor loại PNP là phân cực thuận, NPN là phân cực ngược. Khi vẽ transistor ta cần chú ý đến ký hiệu mũi tên của nó để phân biệt hai loại transistor. Miền emitor là miền có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là điện cực E (cực phát). Miền bazơ có nồng độ tạp chất nhỏ nhất và bề dày rất nhỏ (cỡ m tới nm), điện cực nối với miền này gọi là B (cực gốc). Miền colector có nồng độ tạp chất trung bình, điện cực nối với miền này là C (cực góp). Tiếp giáp pn giữa miền E và B gọi là tiếp giáp emitơ (JE), giữa miền C và B gọi là tiếp giáp colector (JC). Để transistor làm việc ta phải dùng hai điện áp ngoài đặt vào ba cực của nó, tức là phải phân cực cho nó. Ở chế độ khuếch đại thì tiếp giáp emitơ JE¬ phải được phân cực thuận để mở cho các hạt dẫn cơ bản xuất phát, còn tiếp giáp colector JC phải được phân cực ngược để tạo điện trường gia tốc cho các hạt dẫn cơ bản chạy đến cực C hình thành dòng điện chạy qua transistor. Để phân tích nguyên lý làm việc ta lấy transistor PNP làm ví dụ. Do JE phân cực thuận ở trạng thái mở, các hạt cơ bản (lỗ trống) từ miền E chạy qua JE tạo nên dòng emitor (IE), chúng tràn qua miền bazơ hướng tới JC. Trong quá trình khuếch tán một số lỗ trống bị tái hợp với các điện tử của miền B tạo nên dòng bazơ (IB). Do miền B được cấu tạo rất mỏng nên hầu hết các lỗ trống (hạt cơ bản của miền E) khuếch tán đến được bờ của JC và được điện trường gia tốc (do JC phân cực ngược) lôi kéo tràn qua miền C đến cực C tạo thành dòng colector (IC). Mối quan hệ giữa các dòng điện trong transistor là:

BẢNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Bài thí nghiệm số 10 NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TUYẾN TĨNH CỦA TRANSISTOR

I MỤC ĐÍNH THÍ NGHIỆM

̶ Vẽ các đặc tuyến tĩnh của transistor, xác định hệ số khuếch đại của transistor

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý làm việc của transistor

- Bán dẫn là những chất có điện trở suất lớn hơn của kim loại nhưng nhỏ hơn của điện môi, thành phần hạt mang điện bao gồm electron và lỗ trống Bán dẫn pha tạp là chất bán dẫn được pha lẫn một ít tạp chất Tuỳ vào chất pha tạp và nồng độ pha tạp mà độ dẫn điện của bán dẫn tăng lên hàng vạn, hàng triệu lần Bán dẫn pha tạp được chia thành hai loại: loại p (positive), loại n (negative) Bán dẫn loại p có thành phần hạt mang điện cơ bản là lỗ trống, loại n có thành phần mang điện cơ bản là electron

- Transistor là dụng cụ bán dẫn được cấu tạo từ ba

phần có tính dẫn điện khác nhau Nếu phần ở giữa

là bán dẫn loại p thì hai bên là bán dẫn loại n (ta có

transistor NPN), nếu phần ở giữa là bán dẫn loại n

thì hai bên là bán dẫn loại p (ta có transistor PNP)

Transistor có 3 miền bán dẫn: emitơ, bazơ,

colector Theo thói quen ta thường gọi transistor

loại PNP là phân cực thuận, NPN là phân cực

ngược Khi vẽ transistor ta cần chú ý đến ký hiệu

mũi tên của nó để phân biệt hai loại transistor

- Miền emitor là miền có nồng độ tạp chất lớn nhất,

điện cực nối với miền này gọi là điện cực E (cực

phát) Miền bazơ có nồng độ tạp chất nhỏ nhất và bề dày rất nhỏ (cỡ m tới nm), điện cực nối với miền này gọi là B (cực gốc) Miền colector có nồng độ tạp chất trung bình, điện cực nối với miền này là C (cực góp) Tiếp giáp p-n giữa miền E và B gọi là tiếp giáp emitơ (JE), giữa miền C và B gọi là tiếp giáp colector (JC)

- Để transistor làm việc ta phải dùng hai điện áp ngoài đặt vào ba cực của nó, tức là phải phân cực cho nó Ở chế độ khuếch đại thì tiếp giáp emitơ JE phải

được phân cực thuận để mở cho các hạt dẫn cơ bản xuất phát,

còn tiếp giáp colector JC phải được phân cực ngược để tạo điện

trường gia tốc cho các hạt dẫn cơ bản chạy đến cực C hình

thành dòng điện chạy qua transistor

- Để phân tích nguyên lý làm việc ta lấy transistor PNP làm ví

dụ Do JE phân cực thuận ở trạng thái mở, các hạt cơ bản (lỗ

trống) từ miền E chạy qua JE tạo nên dòng emitor (IE), chúng

tràn qua miền bazơ hướng tới JC Trong quá trình khuếch tán

một số lỗ trống bị tái hợp với các điện tử của miền B tạo nên

dòng bazơ (IB) Do miền B được cấu tạo rất mỏng nên hầu hết

các lỗ trống (hạt cơ bản của miền E) khuếch tán đến được bờ

của JC và được điện trường gia tốc (do JC phân cực ngược) lôi

kéo tràn qua miền C đến cực C tạo thành dòng colector (IC)

- Mối quan hệ giữa các dòng điện trong transistor là:

I  I  I

- Để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán của các hạt cơ bản khi tràn qua miền B, người ta định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện của transistor:   I / IC E Hệ số  luôn bé hơn 1 và có giá trị gần bằng 1 đối với transistor tốt

- Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng IB tới dòng IC người ta định nghĩa hệ số khuếch đại

K của transistor khi mắc E chung:

C B

I K

I

 (hệ số khuếch đại K có giá trị từ vài chục đến vài trăm lần)

- Ta có mối quan hệ

1

K K

 



2 Ba cách mắc mạch transistor

- Khi dùng transistor để khuếch đại, tín hiệu điện được đưa vào giữa hai điện cực và lấy ra cũng

từ hai điện cực Trong đó điện cực nào được nối chung cho cả đầu vào và đầu ra là điện cực

chung Về nguyên tắc cực nối chung phải được nối với đất về mặt điện xoay chiều để lấy nó

làm nền so sánh giữa điện áp lối ra và điện áp lối vào Có 3 cách mắc đó là: mắc emitơ chung, mắc bazơ chung, mắc colector chung

+ + +

+ +

-

P

N

P

E tx

J C

E tx

J E

E

I E

I C

I B

U BE

-

+

U CE

B

C

Hình 2 Minh hoạ nguyên lý làm việc của transistor PNP ở chế độ khuyếch đại

3 Các họ đặc tuyến tĩnh của transistor

- Khi tính toán thiết kế mạch điện dùng transistor ta cần biết các

thông số kỹ thuật của transistor thông qua các đặc tuyến tĩnh của nó

Sau đây ta xét cụ thể trong cách mắc emitơ chung

- Có 3 họ đặt tuyến tĩnh của transistor: đặc tuyến tĩnh vào, đặc tuyến

tĩnh ra, đặc tuyến tĩnh truyền đạt

a Họ đặc tuyến tĩnh vào của transistor

- Đặc tuyến tĩnh vào của transistor là đồ thị mô tả sự phụ thuộc của

dòng IB vào hiệu điện thế UBE khi hiệu điện thế UCE được giữ không

đổi (𝐼 = 𝑓(𝑈 ) 𝑘ℎ𝑖 𝑈 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡)

- Với mỗi giá trị không đổi của UCE ta sẽ có một đặc

tuyến, các đặc tuyến này họp thành họ đặc tuyến tĩnh

vào của transistor Các đặc tuyến có dạng như hình

vẽ bên

b Họ đặc tuyến tĩnh ra của transistor

- Đặc tuyến tĩnh ra của transistor là đồ thị mô tả sự

phụ thuộc của dòng điện IC và hiệu điện thể UCE khi

dòng điện IB được giữ không đổi (𝐼 =

𝑓(𝑈 ) 𝑘ℎ𝑖 𝑈 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡)

- Với mỗi giá trị không đổi của IB ta sẽ có một đặc

tuyến, các đặc tuyến này họp thành học đặc tuyến

tĩnh ra của transistor

c Họ đặc tuyến tĩnh truyền đạt của transistor

- Đặc tuyến tĩnh truyền đạt là đồ thị mô tả sự phụ thuộc của dòng điện IC vào IB khi UCE được giữ không đổi (𝐼 = 𝑓(𝐼 ) 𝑘ℎ𝑖 𝑈 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 )

0,2 0,4 0,6 V

U BE

10

20

30

40

0

A

UCE=2V

U CE =4V

I B

Hình 4 Họ đặc tuyến tĩnh vào của transistor

V

2

4

6

8

A

1 2 3 4

10

20

30

40

I B =10A

I B =20A

I B =30A

IB=40A

IB=50A

U CE

A

I C

I B

UCE=1V

UCE=4V

Hình 5 Họ đặc tuyến tĩnh ra của transistor

Hình 3 Ba cách mắc transistor

a Mắc emitơ chung b Mắc bazơ chung c Mắc colector chung

I E

(a)

U ra

I B

U ra

U vµo

I C

I E

I B

U ra

U vµo

I C

I E

- Với mỗi giá trị không đổi của IB ta sẽ có một đặc tuyến, các đặc tuyến này họp thành họ đặc tuyến tĩnh ra của transistor

- Họ đặc tuyến tĩnh truyền đạt có thể được suy ra từ họ đặc tuyến tĩnh ra

III KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Bảng 1 Kết quả đo IB theo các giá trị của UBE tương ứng trong bảng, đơn vị V ( UCE = 5 V)

= 0,00

± 0,00

𝐼

= 0,00

± 0,00

𝐼

= 0,00

± 0,00

𝐼

= 2,00

± 0,00

𝐼

= 2,33

± 0,44

𝐼

= 8,67

± 0,56

𝐼

= 16,33

± 0,44

𝐼

= 36,67

± 0,56

Nhận xét:

- Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của dòng IB vào hiệu điện thế UBE khi hiệu điện thế UCE được giữ không đổi (𝐼 = 𝑓(𝑈 ) 𝑘ℎ𝑖 𝑈 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡)

- Với mỗi giá trị không đổi của UCE ta sẽ có một đặc tuyến, các đặc tuyến này họp thành họ đặc tuyến tĩnh vào của transistor

2,33

8,677

16,33

36,67

0

5

10

15

20

25

30

35

40

IB, μA

UBE, V

U CE =5V

Bảng 2 Kết quả đo IC với các giá trị UCE tính theo đơn vị V ( 𝑰𝑩 = 𝟏𝟎𝝁𝑨, 𝑰𝑩 =

𝟐𝟎𝝁𝑨, 𝑰𝑩 = 𝟑𝟎𝝁𝑨 )

10

𝑰𝑪± ∆𝑰𝑪 𝐼

= 0,00

± 0,00

𝐼

= 0,60

± 0,03

𝐼

= 1,12

± 0,02

𝐼

= 1,10

± 0,03

𝐼

= 1,12

± 0,04

𝐼

= 1,10

± 0,02

𝐼

= 1,12

± 0,04

𝐼

= 1,08

± 0,02

20

𝑰𝑪± ∆𝑰𝑪 𝐼

= 0,00

± 0,00

𝐼

= 1,12

± 0,02

𝐼

= 2,25

± 0,00

𝐼

= 2,25

± 0,03

𝐼

= 2,25

± 0,03

𝐼

= 2,23

± 0,09

𝐼

= 2,25

± 0,03

𝐼

= 2,17

± 0,02

30

𝑰𝑪± ∆𝑰𝑪 𝐼

= 0,00

± 0,00

𝐼

= 1,70

± 0,03

𝐼

= 3,37

± 0,02

𝐼

= 3,30

± 0,03

𝐼

= 3,35

± 0,03

𝐼

= 3,38

± 0,02

𝐼

= 3,32

± 0,02

𝐼

= 3,32

± 0,04

Nhận xét:

- Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của dòng điện IC và hiệu điện thể UCE khi dòng điện IB được

giữ không đổi (𝐼 = 𝑓(𝑈 ) 𝑘ℎ𝑖 𝑈 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡)

- Với mỗi giá trị không đổi của IB ta sẽ có một đặc tuyến, các đặc tuyến này họp thành học đặc tuyến tĩnh ra của transistor

Bảng 3 Kết quả đo IC theo các giá trị của IB trong bảng, đơn vị 𝝁𝑨 (𝑼𝑪𝑬 = 𝟓𝑽)

𝑰𝑪± ∆𝑰𝑪 𝐼 = 1,12 ± 0,06 𝐼 = 2,25 ± 0,03 𝐼 = 3,32 ± 0,06 𝐼 = 4,40 ± 0,03 𝐼 = 5,50 ± 0,03

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

UCE, V

I B =30μA

I B =20μA

I B =10μA

I C , μA

 Ta có: 𝐾 =

 Với 𝐼 = 10𝜇𝐴 → 𝐾 = = , = 0,112

 Với 𝐼 = 20𝜇𝐴 → 𝐾 = = . = 0,113

 Với 𝐼 = 30𝜇𝐴 → 𝐾 = = . = 0,111

 Với 𝐼 = 40𝜇𝐴 → 𝐾 = = , = 0,110

 Với 𝐼 = 50𝜇𝐴 → 5 = = , = 0,110

 Giá trị thực nghiệm của K:

𝐾 = 𝐾 + 𝐾 + 𝐾 + 𝐾 + 𝐾

𝑑𝐾 =𝑑(𝐾 + 𝐾 + 𝐾 + 𝐾 + 𝐾 )

∆𝐾 + ∆𝐾 + ∆𝐾 + ∆𝐾 + ∆𝐾

→ 𝛿 = ∆𝐾

𝐾 = 0,009 𝑉ậ𝑦 𝐾 = 0,111 ± 0,001 ℎ𝑜ặ𝑐 𝐾 = 0,111 ± 0,9%

1,12

2,25

3,32

4,4

5,5

0

1

2

3

4

5

6

IB, μA

IC, μA

UCE = 5V

Nhận xét:

̶ Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của dòng điện IC vào IB khi UCE được giữ không đổi (𝐼 =

𝑓(𝐼 ) 𝑘ℎ𝑖 𝑈 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 )

̶ Với mỗi giá trị không đổi của IB ta sẽ có một đặc tuyến, các đặc tuyến này họp thành họ đặc tuyến tĩnh ra của transistor

Ngày …10… tháng …09… năm …2021… Xác nhận của giáo viên hướng dẫn thí nghiệm

IV NHẬN XÉT

Nguyên nhân sai số:

- Do máy móc và dụng cụ đo thiếu chính xác

- Do người đo với trình độ tay nghề chưa cao, khả năng các giác quan bị hạn chế

- Do điều kiện ngoại cảnh bên ngoài tác động tới

- Do người thực hành không thao tác đúng, quan sát không chính xác