Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 1 Transistor lưỡng cực Bipolar Junction Transistor Nguyễn Quốc Cường Bộ môn 3I – ĐHBK HN Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 2 Giới thiệu • BJT được phát minh vào năm 1948 tại Bell Telephone Lab • MOSFET được biết đến trước BJT tuy nhiên chỉ được sử dụng nhiều trong công nghệ chế tạo IC từ năm 1980s • BJT ngày nay được sử dụng – chế tại linh kiện rời công suất lớn – chế tạo IC hoạt động ở tần số cao • Các ứng dụng – các thiết bị điện tử trong automotive – các thiết bị truyền tin không dây Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 3 Cấu trúc đơn giản của BJT kiểu npn Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 4 Cấu trúc đơn giản của BJT kiểu pnp Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 5 • BJT là thiết bị 3 cực – Emitter (E) – Base (B) – Collector (C) • BJT có 2 tiếp giáp pn – Tiếp giáp emitterbase (EBJ) – Tiếp giáp collectorbase (CBJ) • Tùy thuộc vào các chế độ phân cực khác nhau cho 2 tiếp giáp này BJT có các chế độ hoạt động khác nhau Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 6 Chế độ hoạt động của BJT Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 7 Chế độ tích cực Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 8 dòng điện • EBJ phân cực thuận: – điện tử khuếch tán từ E B – lỗ trống khuếch tán từ B E – tại B, một số ít e sẽ tái hợp với một số lỗ trống, còn phần lớn sẽ di chuyển đến gần tiếp giáp CBJ • CBJ phân cực ngược – các e trong vùng B sẽ được đẩy qua CBJ do tác dụng của điện trường – một số ít lỗ trống từ C sẽ được đẩy qua CBJ vào vùng B Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 9 • Nếu nhìn từ các cực E,B,C ta có 3 dòng điện tương ứng là iE, iB và i C – β: hệ số khuếch đại dòng emitter chung – : hế số khuếch đại dòng base chung – Thường các hệ số β được chế tạo lớn (~ gần 1) C B E B C B C E i i i i i (1 )i 1 i i Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 10 Mô hình EbersMoll (EM) Mô hình EM của npn Mô hình EM cho phép xác định tất cả các chế độ hoạt động của BJT. Biểu thức EbersMoll SE exp 1 exp 1 E DE R DC C DC F DE BE DE T BC DC SC T F SE R SC i i i i i i V i i V V i i V i i Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 11 Transistor pnp • Hoạt động của pnp tương tự như npn, chỉ có điểm khác biệt là dòng điện chủ yếu được tạo lên bởi các lỗ trống từ E đến B Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 12 Ký hiệu Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 13 Đặc tính dòng điện – điện áp • Họ đường cong đặc tính IV – i CvCB với iE = const – i CvCE với iB = const Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 14 Đặc tính iCvCB Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 15 • Để đo đặc tính iCvCB: Với mỗi giá trị iE thay đổi vCB để đo được dòng iC • Trong vùng tích cực thuận – Dòng iC tăng ít khi vCB tăng, mặc dù iE giữ cố định hiệu ứng Early – Ứng với vCB lớn, dòng iC tăng rất nhanh hiện tượng breakdown – Hệ số alpha : có 2 kiểu định nghĩa (thực tế 2 hệ số này sai khác không nhiều) C E i i được gọi là hệ số tổng hay hệ số tín hiệu lớn CB C E v const i i được gọi là hệ số tín hiệu nhỏ Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 16 • Trong vùng bão hòa – Điện áp vCB < 0.4 V – Thường chênh áp vBE = 0.7V vCE bão hòa = 0.1V đến 0.3V Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 17 Hiệu ứng Early • Trong vùng tích cực thuận – Lý tưởng: iC = iE đặc tính iCvCB là đường nằm ngang – Thực tế: khi vCB tăng iC tăng hiệu ứng Early • Mắc mạch emitter chung (như hình vẽ), ứng với mỗi vBE thay đổi vCE ta thu được các giá trị iC khác nhau – Theo mô hinhf EbersMoll khi v BE = const thì iC phụ thuộc rất ít vào v CE (do vBC < 0) – Thực tế iC có thể phụ thuộc nhiều vào vCE (hay vBC) – Nếu kéo dài các đương iCvCE trong vùng tích cực thuận sẽ gặp nhau tại điểm VA gọi là điện áp Early (cỡ 50V đến 100V) Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 18 Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 19 Đặc tính iCvCE Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 20 Miền tích cực C F dc B i i Hệ số khuếch đại dòng dc CE C ac B v const i i • Hệ số khuếch đại dòng dc và ac trong thực tế thường sai khác từ 10% đến 20% • Hệ số dc phụ thuộc vào điểm làm việc • Trong phân tích gần đúng thường giả thiết hệ số dc là không đổi Hệ số khuếch đại dòng ac Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 21 Miền bão hòa • Xem xét điểm X trong miền bão hòa i i Csat F B Csat forced B forced F i i
Transistor lưỡng cực Bipolar Junction Transistor Nguyễn Quốc Cường Bộ môn 3I – ĐHBK HN Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường Giới thiệu • BJT phát minh vào năm 1948 Bell Telephone Lab • MOSFET biết đến trước BJT nhiên sử dụng nhiều cơng nghệ chế tạo IC từ năm 1980s • BJT ngày sử dụng – – • chế linh kiện rời công suất lớn chế tạo IC hoạt động tần số cao Các ứng dụng – thiết bị điện tử automotive – thiết bị truyền tin không dây Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường Cấu trúc đơn giản BJT kiểu npn Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường Cấu trúc đơn giản BJT kiểu pnp Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường • BJT thiết bị cực – – Base (B) – • Emitter (E) Collector (C) BJT có tiếp giáp pn – – • Tiếp giáp emitter-base (EBJ) Tiếp giáp collector-base (CBJ) Tùy thuộc vào chế độ phân cực khác cho tiếp giáp BJT có chế độ hoạt động khác Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường Chế độ hoạt động BJT Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường Chế độ tích cực Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường dịng điện • EBJ phân cực thuận: – – lỗ trống khuếch tán từ B E – • điện tử khuếch tán từ E B B, số e tái hợp với số lỗ trống, phần lớn di chuyển đến gần tiếp giáp CBJ CBJ phân cực ngược – e vùng B đẩy qua CBJ tác dụng điện trường – số lỗ trống từ C đẩy qua CBJ vào vùng B Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường • Nếu nhìn từ cực E,B,C ta có dịng điện tương ứng iE, iB iC iC iB iE iB iC (1 )iB 1 iC iE – β: hệ số khuếch đại dòng emitter chung – : hế số khuếch đại dòng base chung – Thường hệ số β chế tạo lớn (~ gần 1) Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường Mơ hình Ebers-Moll (EM) Mơ hình EM cho phép xác định tất chế độ hoạt động BJT Biểu thức Ebers-Moll iE iDE RiDC iC iDC F iDE iDE VBE iSE exp 1 VT VBC iDC iSC exp 1 VT F iSE RiSC Mơ hình EM npn 10 Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường Transistor pnp • Hoạt động pnp tương tự npn, có điểm khác biệt dịng điện chủ yếu tạo lên lỗ trống từ E đến B 11 Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường Ký hiệu 12 Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường Đặc tính dịng điện – điện áp • Họ đường cong đặc tính I-V – iC-vCB với iE = const – iC-vCE với iB = const 13 Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường Đặc tính iC-vCB 14 Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường • Để đo đặc tính iC-vCB: Với giá trị iE thay đổi vCB để đo dịng iC • Trong vùng tích cực thuận – Dịng iC tăng vCB tăng, iE giữ cố định hiệu ứng Early – Ứng với vCB lớn, dòng iC tăng nhanh tượng breakdown – Hệ số alpha : có kiểu định nghĩa (thực tế hệ số sai khác không nhiều) iC iE i C iE Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường gọi hệ số tổng hay hệ số tín hiệu lớn gọi hệ số tín hiệu nhỏ vCB const 15 • Trong vùng bão hòa – Điện áp vCB < -0.4 V – Thường chênh áp vBE = 0.7V vCE bão hòa = 0.1V đến 0.3V 16 Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường Hiệu ứng Early • Trong vùng tích cực thuận – – • Lý tưởng: iC = iE đặc tính iC-vCB đường nằm ngang Thực tế: vCB tăng iC tăng hiệu ứng Early Mắc mạch emitter chung (như hình vẽ), ứng với vBE thay đổi vCE ta thu giá trị iC khác – Theo mô hinhf Ebers-Moll vBE = const iC phụ thuộc vào vCE (do vBC < 0) – Thực tế iC phụ thuộc nhiều vào vCE (hay vBC) – Nếu kéo dài đương iC-vCE vùng tích cực thuận gặp điểm VA gọi điện áp Early (cỡ 50V đến 100V) 17 Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 18 Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường Đặc tính iC-vCE 19 Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường Miền tích cực iC F dc iB ac iC iB Hệ số khuếch đại dòng dc Hệ số khuếch đại dịng ac vCE const • Hệ số khuếch đại dòng dc ac thực tế thường sai khác từ 10% đến 20% • Hệ số dc phụ thuộc vào điểm làm việc • Trong phân tích gần thường giả thiết hệ số dc không đổi 20 Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường Miền bão hòa • Xem xét điểm X miền bão hòa iCsat FiB iCsat forced iB forced F 21 Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường