Chuyên đề: "Nguyên tắc hoạt động và khả năng khuếch đại của transistor"

Trường THPT Tôn Đức Thắng Tổ: Vật lý – Kỹ thuật CHUYÊN ĐỀ THÁNG 01/ 2008 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ KHẢ NĂNG KHUẾCH ĐẠI CỦA TRANSISTOR Transistor là loại linh kiện bán dẫn ba cực. Nó có khả năng khuếch đại tín hiệu hoặc hoạt động như một khoá đóng mở, rất thông dụng trong ngành điện tử. Nó sử dụng cả hai loại hạt dẫn: điện tử và lỗ trống. Nhắc lại cấu tạo của transistor hai cực tính (Bipolar Junction Transistor – gọi tắt là BJT). BJT được cấu tạo bởi ba lớp bán dẫn tiếp xúc nhau tạo nên, trong đó lớp ở giữa có bề dày rất bé (cỡ 10 -3 mm) và khác kiểu dẫn điện với hai lớp bên cạnh. Nồng độ tạp chất của ba lớp bán dẫn cũng không giống nhau. Lớp có nồng độ tạp chất cao nhất (nghĩa là nồng độ hạt dẫn đa số của nó lớn nhất_kí hiệu là N + hoặc P + ) gọi là miền phát (hay miền emitter-viết tắt E); lớp đối diện có nồng độ thấp hơn (kí hiệu là N hoặc P) gọi là miền thu (hay miền collector- viết tắt C); lớp giữa có nồng độ tạp chất rất thấp (khác kiểu dẫn điện với hai lớp kia) gọi là miền nền (hay miền base-viết tắt B). Chuyển tiếp giữa mối ghép B-E gọi là J E , chuyển tiếp giữa mối ghép B-C gọi là J C . hoạt động của BJT chủ yếu dựa vào hai chuyển tiếp này. Các lớp bán dẫn được đặt trong một vỏ kín (bằng nhựa hoặc kim loại) chỉ có ba điện cực thò ra ngoài. Kí hiệu quy ước của hai loại transistor NPN và PNP như hình. Mũi tên trên cực E chỉ chiều dòng điện chạy qua nó. Hãy xét nguyên tắc hoạt động của transistor loại NPN làm ví dụ (loại PNP cũng tương tự). Điều kiện cần thiết để transistor hoạt động là J E phải được phân cực thuận. Ta xét sơ đồ mạch điện như hình bên: Nguồn E 1 có sđd một vài volt để phân cực thuận cho J E . Nguồn E 2 thường từ 5  20 (V) dùng phân cực nghịch cho Jc. R E và R C là các điện trở phân cực. Khi chưa có nguồn E 1 và E 2 , trong mỗi vùng nghèo J E và J C sẽ tồn tại một điện trường tiếp xúc (hướng từ N sang P) duy trì trạng thái cân bằng của chuyển tiếp, khiến cho dòng điện tổng hợp qua mỗi chuyển tiếp bằng không. Khi có nguồn E 2 , chuyển tiếp J C bị phân cực nghịch nên điện trường tiếp xúc trong vùng nghèo này tăng  sẽ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua vùng nghèo này. Ta gọi đó là dòng điện ngược collector (ký hiệu là I CBO ). Nếu có thêm nguồn E 1 thì J E sẽ phân cực thuận  điện trường tiếp xúc vùng này nhỏ lại và điện tử từ miền N + tràn qua miền P, lỗ trống từ miền P tràn sang miền N + . Sau đó, các điện tử không cân bằng này tiếp tục khuếch tán qua miền Base tới vùng nghèo J C . Khi tới vùng J C , các điện tử này lập tức bì điện trường của E 2 hút về phía collector tạo nên dòng điện qua cực C (1) (I C ). Gọi I E là dòng điện chạy qua cực Emitter (tương ứng với chuyển động của các điện tử từ miền N + sang miền P). Khi đó dòng điện tạo nên bởi số điện tử chạy tới collector vừa nói ở trên sẽ là αI E .  1) Chiều dòng điện qui ước là chiều chuyển động của điện tích dương; ngược với chiều chuyển động thực của các điện tử. E C B E C B N + P N J E J C Transistor loại NPN E C B N P J E J C P + Transistor loại PNP E C B R C E 2 N + P N E C B J E J C R E E 1 I C I B I E Trong đó, α là tỷ số giữa số lượng điện tử tới được collector (không bị hao hụt dọc đường đi vì bị tái hợp) với tổng số điện tử phát đi từ emitter. (α còn gọi là hệ số truyền đạt). Như vậy, dòng I C = αI E + I CBO . (1) Trong miền base, một số lỗ trống phun sang miền N + và tái hợp với điện tử gây nên sự thiếu hụt điện tích dương. Để bù lại, các điện tích dương sẽ từ nguồn E 1 chạy vào miền base thông qua cực B  tạo nên dòng I B . Theo định luật điểm nút: I E = I B + I C . (2) (trị số I B thường rất nhỏ so với I C và I E ). Qua hoạt động của BJT ở trên, ta thấy: nếu I E biến đổi thì dòng I C cũng biến đổi theo. Bây giờ, nếu có thêm nguồn tín hiệu xoay chiều e s (biên độ rất nhỏ) thông qua tụ C 1 đặt vào cực E và cực B như hình. Nghĩa là, e s đã xếp chồng lên điện áp phân cức vốn có của J E  mức độ phân cực của J E sẽ thay đổi một cách tuần hoàn theo chu kỳ của tín hiệu e s . Do đó, dòng điện tử từ cực E tới cực C sẽ tăng giảm theo qui luật của e s . Nghĩa là, dòng I C đã thay đổi theo e s . Dòng này tạo ra trên R C một điện áp biến thiên theo quy luật của e s , nhưng biên độ lớn hơn e s rất nhiều (nhờ R C khá lớn). Ta nói rằng transistor đã khuếch đại tín hiệu. Nếu giá trị R C càng lớn thì tín hiệu được khuếch đại càng nhiều. Nên điện trở R C còn được gọi là điện trở tải. Tụ C 1 và C 2 trong mạch có tác dụng ngăn chặn dòng điện một chiều và chỉ cho tín hiệu xoay chiều e s đi qua. Cực B của mạch ở trên là cực chung của tìn hiệu vào (B và E) với tín hiệu ra (B và C) nên còn được gọi là mạch base chung (viết tắt là B.C). Hệ thức (1) và (2) là các hệ thức cơ bản của mạch B.C. Ở trên ta thấy, nếu J E được phân cực thuận và J C được phân cực nghịch thì transistor sẽ làm việc ở chế độ khuếch đại. Ngoài ra, nếu J E và J C cùng phân cực nghịch thị transistor sẽ ở chế độ khoá (ngưng dẫn); còn nếu J E và J C cùng phân cực thuận thì transistor sẽ ở chế độ mở (dẫn bão hoà). Hai chế độ hoạt động này của transistor được ứng dụng trong kỹ thuật số (mạch logic). ___________ HẾT __________ Người viết: Nguyễn Hải. R C E 2 N + P N E C B J E J C R E E 1 I C I B I E AC C1 C2 e s t?i . thuật CHUYÊN ĐỀ THÁNG 01/ 2008 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ KHẢ NĂNG KHUẾCH ĐẠI CỦA TRANSISTOR Transistor là loại linh kiện bán dẫn ba cực. Nó có khả năng khuếch. hiệu quy ước của hai loại transistor NPN và PNP như hình. Mũi tên trên cực E chỉ chiều dòng điện chạy qua nó. Hãy xét nguyên tắc hoạt động của transistor