Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Bài 4 - Lưu Đức Trung cung cấp cho học viên các kiến thức về transistor lưỡng cực; cấu trúc vật lý; mô hình truyền dẫn cho npn-pnp; các vùng hoạt động; đặc tuyến truyền đạt i-v; đơn giản hóa mô hình truyền đạt; hiệu ứng và điện áp Early; phân cực thực tế;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC 4.1 Cấu trúc vật lý 4.2 Mơ hình truyền dẫn cho npnpnp 4.3 Các vùng hoạt động 4.4 Đặc tuyến truyền đạt iv 4.5 Đơn giản hóa mơ hình truyền đạt 4.6 Hiệu ứng và điện áp Early 4.7 Phân cực thực tế BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (Là chương 5 trong giáo trình) 4.1 Cấu trúc vật lý Cấu trúc vật lý tranzitor lưỡng cực BJT (Bipolar Junction Transistor) bao gồm ba lớp bán dẫn loại n và loại p xen kẽ nhau Các lớp này ứng với các cực E (Emitter cực phát), cực B (Base cực gốc) và cực C (Collector cực góp) Có 2 loại tranzitor lưỡng cực: npn và pnp Cách hoạt động của thiết bị có thể xem trên mặt cắt ngang đơn giản của tranzitor npn ở hình 4.1.1 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC a) Hình 4.1.1 Mặt cắt ngang của một transistor npn với các dịng trong q trình hoạt động bình thường Transistor = transfer resistor BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Trong q trình hoạt động bình thường, phần lớn dịng sẽ đi vào cực C, đi qua vùng Base và đi ra cực E. Một lượng dịng nhỏ hơn đi vào từ cực B, đi qua tiếp giáp baseemitter của tranzitor và đi ra khỏi cực E. Phần quan trọng nhất của tranzitor lưỡng cực là vùng gốc tích cực (vùng base) nằm giữa hai đường nét đứt nằm bên dưới vùng emitter (n+). Lượng truyền dẫn tại vùng này ảnh hưởng tới đặc tuyến i υ của BJT Hình 4.1.2 minh hoạ cho cấu trúc vật lý phức tạp hơn đã được sử dụng để làm ra một tranzitor npn dạng mạch tổ hợp BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC b) Hình 4.1.2 Hình ảnh ba chiều của một mạch tổ hợp tranzitor tiếp giáp lưỡng cực npn BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Phần lớn cấu trúc trên hình 4.1.2 được sử dụng để chế tạo các miền tiếp xúc ngồi với các vùng collector, base và emitter và để tách các tranzitor lưỡng cực Trong cấu trúc npn đó, dịng collector iC và dịng base iB đi vào từ cực C và cực B của tranzitor, và dịng emitter iE đi ra từ cực E 4.2 Mơ hình truyền dẫn cho npn và pnp 4.2.1 Transistor npn Hình 4.2.1 là mơ hình vùng hoạt động của tranzitor tiếp giáp lưỡng cực npn BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Hình 4.2.1 (a) Cấu trúc của tranzitor npn lý tưởng hố trong trường hợp phân cực chung (b) Kí hiệu của tranzitor npn BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BJT có hai lớp tiếp giáp pn nối đấu lưng với nhau Tuy nhiên, vùng trung tâm base rất mỏng (0.1 100 m), khoảng cách quá gần của hai lớp tiếp giáp dẫn tới sự kết nối giữa hai điốt Sự kết nối này là cốt lõi của các thiết bị lưỡng cực Vùng bán dẫn loại n thấp hơn (emitter) đưa các electron đi vào vùng base (loại p) Trong các tranzitor silic hiện đại, phần lớn các electron này sẽ đi qua vùng base và được thu nhận bởi vùng bán dẫn loại n cao hơn (collector) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Điện áp baseemitter (BE) υBE và điện áp basecollector (B C) υBC gắn vào hai tiếp giáp pn trên hình 4.2.1 sẽ xác định dòng tranzitor lưỡng cực, quy ước là dương khi chúng dịch chuyển về phía tiếp giáp pn tương ứng Ba dịng điện cực là dịng collector iC, dịng emitter iE, và dịng base iB Các mũi tên chỉ hướng của dịng dương trong các mạch npn Kí hiệu của tranzitor npn có trên hình 4.2.1 (b), trong đó mũi tên xác định cực E và cho biết dịng đi ra khỏi cực E của tranzitor npn BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Các đặc tính thuận Hình 4.2.2 Tranzitor npn nối với điện áp υ BE cịn υ BC =0 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 10 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Việc giảm WB khi VCB tăng là nguyên nhân của hiệu ứng Early Hình 4.6.2 Sự biến đổi bề rộng vùng base, hay hiệu ứng Early BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 64 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Hiệu ứng Early làm giảm điện trở đầu ra của tranzitor lưỡng cực, và tạo một giới hạn cho hệ số khuếch đại của BJT 4.7 Phân cực thực tế Mục đích của việc phân cực là thiết lập một điểm hoạt động định sẵn, hay cịn gọi là điểm Q Đối với tranzitor lưỡng cực npn, điểm Q tương ứng với các giá trị một chiều của dịng collector và điện áp CE (IC, VCE), cịn đối với tranzitor pnp thì sử dụng điện áp EC (IC, VEC). Điểm Q sẽ khởi tạo vùng hoạt động cho tranzitor BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 65 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Mạch phân cực dùng bốn điện trở Một trong những mạch tốt nhất để ổn định điểm Q của tranzitor mạng phân cực dùng bốn điện trở hình 4.7.1 R1 và R2 tạo ra một bộ chia điện áp đối với nguồn cấp (từ 12V tới 0 V) và cố gắng thiết lập một điện áp cố định tại cực base của tranzitor Q1 RE và RC được sử dụng để tạo dòng emitter và điện áp CE của tranzitor BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 66 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 67 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Hình 4.7.1 Mạch phân cực dùng bốn điện trở (giả thiết β F =75) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 68 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Hình 4.7.2 (a) Mạch phân cực bốn điện trở với các nguồn tái tạo (b) Sự đơn giản hố Thévenin của mạch phân cực bốn điện trở (giả thiết β F =75) Mục đích của ta là xác định điểm Q của tranzitor: (IC, VCE) Bước đầu tiên trong việc phân tích mạch trên hình 4.7.1 là chia nguồn cấp thành hai điện áp bằng nhau, như trên hình 4.7.2 (a), và sau đó đơn giản hố mạch bằng cách thay thế mạch phân cực cực base mạch tương đương Thévenin, như trên hình 4.7.2 (b) VEQ và REQ được tính bởi: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 69 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC VEQ = VCC R R1 R2 R1 R2 , REQ = R R (4.7.1) Với các giá trị trên hình 4.7.2, VEQ = 4 V và REQ = 12kΩ Phân tích chi tiết bắt đầu với giả thiết về vùng hoạt động để đơn giản hố các cơng thức mơ hình hố BJT. Vì phần lớn các vùng hoạt động dùng cho mạch phân cực này là vùng hoạt động thuận, ta sẽ giả thiết tranzitor ở trong vùng Áp dụng định luật điện áp Kirchhoff cho vòng 1: VEQ = REQIB + VBE + REIE (4.7.2) hay: 4 = 12 000 IB + VBE + 16 000 IE (4.7.3) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 70 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Vì ta giả thiết đây là vùng hoạt động thuận, ta có VBE = 0.7 V và IE = (βF + 1)/IB, và cơng thức (4.7.3) trở thành: 4 = 12 000 IB + 0.7 + 16 000 (βF + 1)IB (4.7.4) Sử dụng βF =75 và tính IB: 4V 0.7V IB = 1.23 10 = 2.68 μA IC = βFIB = 201 μA IE = (βF + 1)IB = 204 μA Để tính VCE, sử dụng vịng 2: VCE = VCC – RCIC – REIE = VCC – R R I (4.7.5) Vì IE = IC/αF, kết hợp với các giá trị trong mạch: VCE = 12 – 38 200 IC = 12 V – 7.68 V = 4.32 V (4.7.6) C E C F BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 71 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Tất cả các dịng tính được đều lớn hơn 0, sử dụng kết quả của cơng thức (4.7.6): VBC = VBE –VCE = 0.7 – 4.32 = – 3.62 V. Do đó, tiếp giáp BC phân cực ngược, giả thiết vùng hoạt động thuận là đúng. Điểm Q tính được là (201 μA, 4.32 V) Trước khi kết thúc ví dụ này, ta sẽ vẽ đường tải cho mạch định vị điểm Q đặc tuyến đầu Phương trình đường nạp của mạch này đã có ở cơng thức (4.7.5): VCE = VCC – RC RE F IC = 12 – 38 200 IC (4.7.7) Cần có hai điểm để vẽ đường tải. Chọn IC = 0 ứng với VCE = 12 V, và VCE = 0 ứng với IC = 314 μA. Đường tải và BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 72 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC đặc tuyến đầu ra của tranzitor mắc E chung được vẽ trên hình 4.7.3. Dịng base cũng đã được tính bằng 2.7 μA, và giao điểm của đặc tuyến IB = 2.7 μA với đường tải chính là điểm Q. Trong trường hợp này, ta phải ước lượng vị trí của đường cong IB = 2.7 μA BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 73 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Hình 4.7.3 Đường tải của mạch phân cực bốn điện trở BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 74 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Mục tiêu thiết kế của mạch phân cực bốn điện trở Ta vừa phân tích mạch phân cực bốn điện trở, ta sẽ tìm hiểu mục tiêu thiết kế của kĩ thuật phân cực này bằng cách xác định dịng emitter theo cơng thức (4.7.2): IE = VEQ VBE RE REQ I B ≈ VEQ VBE RE với REQIB