Tài liệu giảng dạy môn Linh kiện điện tử - Transistor lưỡng cực (BJT) pps

Linh kiện điện tử Chương 5: BJT CHƯƠNG V: TRANSISTOR LƯỢNG CỰC (BJT – Bipolar Junction Transistor): Transistor lưỡng cực, thường gọi tắt BJT loại linh kiện bán dẫn tạo thành từ hai mối nối P-N với ba cực tính có khả khuếch đại tín hiệu, hoạt động giống khóa đóng mở thông dụng ngành điện tử Nó sử dụng hai loại hạt dẫn: điện tử lỗ trống, xếp vào loại có hai cực tính (lưỡng cực) Cấu tạo: Transistor linh kiện tạo thành lớp tiếp xúc P-N ghép liên tiếp, miền có bề rộng nhỏ tạo tiếp xúc P-N gần Ký hiệu: Hình dạng: Giảng viên: Trương Ngọc Bảo Linh kiện điện tử Chương 5: BJT Nếu miền chất bán dẫn loại P: đgl Transistor NPN Nếu miền chất bán dẫn loại N: đgl Transistor PNP Transistor có chân nối ngoài: • Cực E (Emitter): gọïi cực phát, pha đậm tạp chất nên nồng độ hạt dẫn đa số lớn , khả sinh dòng lớn • Cực C (Collector): gọïi cực thu, vùng pha tạp chất (ít vùng E) để có độ dẫn điện tốt • Cực B (Basec) : gọïi cực nền, vùng pha tạp chất (ít ba vùng) , bề dầy mỏng (cỡ 10-4cm), cực B dùng để điều khiển dòng hạt tải phát từ cực E Do cấu tạo trên, hình thành chuyển tiếp P-N gần nhau: Chuyển tiếp miền phát – đgl chuyển tiếp Emitter (JE ) Chuyển tiếp miền thu – đgl chuyển tiếp Collector (JC ) Cấu tạo BJT tốc độ cao (HBT: Heterojunction Bipolar Transistor) Giảng viên: Trương Ngọc Bảo Linh kiện điện tử Chương 5: BJT Ví dụ: BJT 2N3904 Nguyên tắc hoạt động khả khuếch đại BJT: Xét nguyên tắc hoạt động BJT loại NPN làm ví dụ Khi chưa phân cực: Mạch thí nghiệm hình vẽ: Cực E nối vào cực âm , cực C nối vào cực dương nguồn DC, cực B để hở Trường hợp điện tử vùng bán dẫn N cực C E , tác dụng lực tónh điện bị di chuyển theo hướng từ cực E cực C Do cực B để hở nên điện tử từ vùng bán dẫn N cực E sang vùng bán dẫn P cực B, nên tượng tái hợp điện tử lỗ trống dòng điện qua Transistor Như chưa đặt điện áp lên cực Transistor chuyển tiếp JE , JC trạng thái cân nên dòng qua cực Transistor Khi phân cực: Giảng viên: Trương Ngọc Bảo Linh kiện điện tử Chương 5: BJT Muốn Transistor hoạt động chế độ khuếch đại thì: Mối nối BE (nền phát) : phân cực thuận Mối nối BC (nền thu) : phân cực nghịch - Hay nối cực B vào điện dương cho : VC > VB > VE Sự dẫn điện Transistor giải thích sau: Do mối nối BE đïc phân cực thuận: e : di chuyển từ E -> B : Tạo dòng IEn Lỗ : di chuyển từ B -> E : Tạo dòng IEp lượng tạp chất E >> B (B pha ít), nên IEn >> IEp, dòng Emitter tính IE = IEn + IEp = IEn Các điện tử sang đến B, vùng B mỏng, nồng độ lỗ trống ít, nên có số điện tử tái hợp với lỗ trống vùng Phần lớn điện tử chưa kịp tái hợp tiếp tục khuếch tán sang vùng C Mà cực C nối với cực (+) nguồn VCC , nên hút điện tử vùng B sang, tạo thành dòng cực thu collector (IC) Đồng thời lỗ trống từ cực (+) nguồn VEE di chuyển vào vùng B chỗ lỗ trống tái hợp, tạo thành dòng cực ( IB) Chính điện tử lỗ trống tham gia vào qúa trình dẫn điện nên linh kiện gọi Transistor lưỡng cực Ngoài dòng IC nói trên, qua tiếp xúc JC có dòng điện tích hạt tải thiểu số thân cực B C (e vùng B lỗ vùng C), gọi dòng điện ngược ICBO, dòng Collector E hở mạch Trị số tăng nhanh theo nhiệt độ, nhiệt độ tăng liên kết đồng hóa trị bị bẽ gãy, dòng ICBO tăng dẫn đến dòng IC tăng Hiện tượng xảy dây chuyền gây hiệu ứng hủy thác làm hư Transistor Do để bảo vệ transistor nhiệt độ tăng, người ta giới hạn dòng ICBO cách phân cực ổn định nhiệt cho Với việc phân tích dòng ta thấy: IE = Ic + I B Ñaët I α= C = IE IC = α IE (1) Số điện tử đến cực C Số điện tử phát từ cực E : đgl hệ số truyền đạt dòng phát (2) Thế (1) vào (2), ta IC = α (IB + IC) Giảng viên: Trương Ngọc Bảo Linh kiện điện tử => Đặt β= Chương 5: BJT IC = α 1−α α 1−α IB :đgl hệ số khuếch đại dòng Transistor (β: thường có giá trị từ vài chục -> vài trăm) Vậy : IC = βIB IE = (β + 1) IB Ta nói Transistor có chức khuếch đại dòng chiều α thường có giá trị : 0,97 < α < 0,99, thường xem α ≈1 Do β >> nên ta xem: IC ≈ IE = β.IB Tương tự cho xét nguyên tắc hoạt động BJT loại PNP khác để JE phân cực thuận JC phân cực nghịch Cực tính nguồn chiều đổi ngược lại Chiều dòng điện thay đổi Tạo nên dòng collector trường hợp lỗ trống phun từ miền P+ qua miền N khuếch tán đến miền collector loại P Ba sơ đồ BJT: Như biết, BJT có cực: emitter, base, collector Tùy theo việc chọn điện cực làm nhánh chung cho mạch vào mạch mà có 03 sơ đồ sau: Mạch base chung (nền chung - viết tắt CB): Tín hiệu cần khuếch đại đưa vào cực B cực E, tín hiệu sau khuếch đại lấy cực C cực B Cực B cực chung mạch vào mạch Như dòng điện vào dòng Emitter (IE), dòng điện dòng collector, điện áp vào VEB, điện áp VCB Nếu không vẽ mạch phân cực (tạo điện áp chiều cho chuyển tiếp JE , JC ) sơ đồ base chung có dạng đơn giản hóa sau: Giảng viên: Trương Ngọc Bảo Linh kiện điện tử Chương 5: BJT Mạch Emitter chung (phát chung - viết tắt CE): Tương tự trên, cực E cực chung mạch vào mạch Như dòng điện vào dòng Base (IB), dòng điện dòng collector, điện áp vào VEB, điện áp VEC Mạch Emitter chung (phát chung - viết tắt CE): Tương tự trên, cực C cực chung mạch vào mạch Ở mạch tín hiệu cần khuếch đại đưa vào cực B C, tín hiệu sau khuếch đại lấy cực E C Như dòng điện vào dòng Base (IB), dòng điện dòng Emitter, điện áp vào VCB, điện áp VEC Do đặc điểm nó, điện áp đồng pha xấp xỉ điện áp vào, điện trở vào lớn, điện trở nhỏ nên mạch C.C gọi mạch phát theo điện áp (voltage follower) hay phát theo emitter (follower Emitter) Đặc tuyến Voltage Ampere BJT: Đồ thị diễn tả mối tương quan dòng điện điện áp BJT gọi đặc tuyến Voltage – Ampere (hay đặc tuyến tónh) Người ta phân biệt thành loại đặc tuyến: Đặc tuyến vào : nêu quan hệ dòng áp ngõ vào Đặc tuyến : nêu quan hệ dòng áp ngõ Đặt tuyến tryền đạt dòng điện: nêu phụ thuộc dòng theo dòng vào Đặc tuyến hồi tiếp điện áp: nêu biến đổi điện áp hai ngõ vào điện áp ngõ thay đổi Giảng viên: Trương Ngọc Bảo Linh kiện điện tử Chương 5: BJT Trong kiểu ráp loại CE dùng phổ biến nhiều nhất, ta chủ yếu khảo sát đặc tuyến loại mạch Sau trình bày loại đặc tuyến thường sử dụng kiểu sơ đồ a Đặc tuyến ngõ vào: I B = f (VBE ) V CE = const Maïch cho ta đặc tuyến với IB thông số VBE biến Thực chất nhánh thuận đặc tuyến diode Ở điện VBE dòng điện IB có trị số khác ví dụ sau : VBE ≈ 0,25V ; IB ≈ 10µA VBE ≈ 0,5V ; IB ≈ 50µA VBE ≈ 0,6V ; IB ≈ 80µA VBE ≈ 0,7V ; IB ≈ 100µA Rc Rb Vcc Q1 A Ib NPN Vbb V Vbe Đặc tuyến vẽ ứng với điện VCE = 2V , điện VCE > 2V đặc tuyến thay đổi không đáng kể, thể điện ngõ VCE ảnh hưởng đến dòng vào b Đặc tuyến ngõ ra: I C = f (VCE ) I B = const Lần lượt đặt IB = 0µA, lần tăng 10µA Thay đổi VCE , đo IC Mỗi thông số IB cho đặc tuyến rõ thay đổi IC theo VCE Giảng viên: Trương Ngọc Bảo Linh kiện điện tử Chương 5: BJT c Đặc tuyến truyền đạt dòng điện: I C = f (I B ) V CE = const Một cách lý thuyết, độ dốc đặc tuyến hệ số khuếch đại cùa dòng điện β Trong phạm vi dòng điện lớn, giá trị β giãm, đạc tuyến không tuyến tính Ngoài khảo sát đặc tuyến truyền đạt dòng điện người ta quan tâm đến mối liên hệ dòng điện ngõ hệ số khuếch đại hFE (hay β) nhiệt độ số cố định Giảng viên: Trương Ngọc Bảo Linh kiện điện tử Chương 5: BJT Tham số xoay chiều mạch tương đương BJT: a Tham số xoay chiều: Trên thực tế, BJT làm việc với tín hiệu nhỏ, có nghóa sởcác điện áp chiều phân cực cho hai chuyển tiếp JE, JC có thêm điện áp xoay chiều biên độ nhỏ đưa đến ngõ vào để BJT khuếch đại thành tín hiệu xoay chiều đáng kể ngõ Trong trạng thái (gọi trạng thái động tín hiệu nhỏ), cách gần coi BJT phần tử tuyến tính, tức phần tử mà quan hệ dòng điện áp thể hàm bậc Điều hoàn toàn cho phép thấy rỏ từ đồ thị phần phạm vi hẹp điện áp dòng điện, đặc tuyến Voltage – Ampere BJT coi đoạn thẳng với độ dốc không đổi Với quan niệm trên, thay thay BJT trạng thái tín hiệu nhỏ mạng hai cửa bốn cực tuyến tính sau: Ở đây, cách tổng quát, ký hiệu điện áp dòng điện ngõ vào V1, I1 , ngõ V2, I2 với chiều quy ước hình vẽ Sau áp dụng cho sở đồ cụ thể (C.B , C.E, C.C ) đại lượng kể điện áp hay dòng điện cực tương ứng transistor, đồng thời tùy theo loại BJT mà chúng có dấu (hoăïc chiều) thích hợp Có nhiều tham số đặc trưng cho BJT: hệ tham số z, y, h Sau trình bày loại thông dụng nhất: hệ tham số “h” V1 = f1 (I1, V2) I2 = f2 (I1, V2) Áp dụng cách tính vi phân toàn phần hàm biến, ta coù : dV1 = ∂V1 ∂V1 d I1 + dV2 ∂I Í ∂V d I2 = ∂I ∂I d I1 + dV2 ∂I Í ∂V2 ∂V1 = h11 ; ∂I Í ∂V1 = h12 ∂V ∂I = h21 ; ∂I Í Đặt ∂I = h22 ∂V Giảng viên: Trương Ngọc Bảo Linh kiện điện tử Chương 5: BJT Đồng thời biến thiên dòng áp bé (do tín hiệu bé) nên ta thay ký hiệu vi phân chúng biến thiên chúng, nghóa thay : dIi = ii ; dVi = vi ; dIO = iO ; dVO= vO Từ hệ phương trình dùng tham số h, ta rút ý nghóa tham số: h11 (hoặc hi ) điện trở vào BJT điện áp xoay chiều ngõ bị ngắn mạch h12 (hoặc hr ) hệ số truyền ngược điện áp (hệ số hồi tiếp áp) BJT hở mạch ngõ vào tín hiệu xoay chiều h21 (hoặc hf ) hệ số khuếh đại dòng điện BJT ngõ bị ngắn mạch tín hiệu xoay chiều Giảng viên: Trương Ngọc Bảo 10 Linh kiện điện tử Chương 5: BJT h22 (hoặc ho ) điện dẫn ( dẫn nạp ra) BJT dòng xoay chiều ngõ vào bị hở mạch Như vậy, tính BJT hiểu qua giá trị tham số h chúng Về mặt đơn vị đo hi có thứ nguyên hi có thứ nguyên điện trở (Ω), hr, hf : thứ nguyên, ho : có thứ nguyên điện dẫn ( , siement) Sau áp dụng cho sơ đồ cụ thể, tùy theo BJT mắc kiễu (C.E, C.B, C.C) mà tham số có thêm số tương ứng b Mạch tương đương BJT: Dựa vào hệ phương trình trên, ta vẽ mạch tương đương dùng tham số h BJT Trong mạch vào, điện trở vào (hi) có nguồn điện áp hối tiếp hrvo (rất bé nên bỏ qua) mắc nối tiếp Nó thể ảnh hưởng ngõ ngõ vào Ở mạch ra, nguồn dòng điện (hf.ii) phản ánh khả khuếch đại dòng điện BJT Điện dẫn 1/hob bé mắc song song với tải (rất lớn nên bỏ qua) B Ic C Ib Mạch tương đương BJT ghép kiểu E.C hie 1/hoe hfe.ib E E Ie Ic C hib 1/hob hfb.ie Mạch tương đương BJT ghép kiểu B.C B B Mạch tương đương BJT ghép kiểu C.C hie Ie E Ib 1/hoe hfe.ib C Giảng viên: Trương Ngọc Bảo 11 Linh kiện điện tử Chương 5: BJT Ở thông số xác định bởi: hfe= β hie = hib = 0,025.h fe I CQ hie h fe + Tóm lại, làm việc chế độ tín hiệu nhỏ, thay BJT sơ đồ tương đương thông số h Việc thay giúp cho phân tích tính toán đại lượng đơn giản tiện lợi Ta ứng dụng sơ đồ tương đương kết hợp với nguồn tín hiệu ngõ vào, điện trở tải ngõ ra, điện trở phân cực để khảo sát tham số tầng khuếch đại dùng BJT chương sau Cũng cần lưu ý sơ đồ tương đương chưa kể đến điện dung chuyển tiếp P-N, quan hệ phụ thuộc tần số tham số α, β, Vì chúng dùng cho BJT làm việc tần số thấp trung bình Khi làm việc tần số cao mạch tương đương BJT phức tạp c Các tham số giới hạn BJT: Ngoài tham số đặc trưng cho chế độ làm việc BJT trên, sử dụng để tránh hư hỏng ta cần ý tham số giới hạn sau: Dòng cực đại cho phép: IEmax, IBmax, ICmax Điện áp cực đại cho phép: VCBmax, VCEmax, VBEmax Công suất tiêu tán cực đại cho phép: I C max = PC max VCE Tần số giới hạn: fT d Bảng so sánh thông số theo cách mắc: Giảng viên: Trương Ngọc Bảo 12 ... hướng từ cực E cực C Do cực B để hở nên điện tử từ vùng bán dẫn N cực E sang vùng bán dẫn P cực B, nên tượng tái hợp điện tử lỗ trống dòng điện qua Transistor Như chưa đặt điện áp lên cực Transistor. .. dòng cực ( IB) Chính điện tử lỗ trống tham gia vào qúa trình dẫn điện nên linh kiện gọi Transistor lưỡng cực Ngoài dòng IC nói trên, qua tiếp xúc JC có dòng điện tích hạt tải thiểu số thân cực. .. = α IE (1) Soá điện tử đến cực C Số điện tử phát từ cực E : đgl hệ số truyền đạt dòng phát (2) Thế (1) vào (2), ta IC = α (IB + IC) Giảng viên: Trương Ngọc Bảo Linh kiện điện tử => Đặt β= Chương