Bài 17. Dòng điện trong chất bán dẫn

Chương 5:
TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT)
ThS. Nguyễn Bá Vương
1. Cấu tạo
Transistor có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau
1. Cấu tạo
Miền bán dẫn thứ nhất của Transistor là miền Emitter (miền phát) với đặc điểm là có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực Emitter (cực phát).
Miền thứ hai là miền Base (miền gốc) với nồng độ tạp chất nhỏ và độ dày của nó nhỏ cỡ m, điện cực nới với miền này gọi là cực Base (cực gốc).
Miền còn lại là miền Collector (miền thu) với nồng độ tạp chất trung bình và điện cực tương ứng là Collector (cực thu).
1. Cấu tạo
Tiếp giáp p-n giữa miền Emitter và Base gọi là tiếp giáp Emitter (JE).
Tiếp giáp p-n giữa miền Base và miền Collector là tiếp giáp Collector (JC).
Về kí hiệu Transistor cần chú ý là mũi tên đặt ở giữa cực Emitter và Base có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n.
PNP
NPN
1. Cấu tạo
Về mặt cấu trúc, có thể coi Transistor như 2 diode mắc đối nhau
1. Cấu tạo
Cấu tạo mạch thực tế của một Transistor n-p-n
2.Nguyên lý hoạt động
Để Transistor làm việc, người ta phải đưa điện áp 1 chiều tới các điện cực của nó, gọi là phân cực cho Transistor
2.Nguyên lý hoạt động
sơ đồ phân cực trong BJT
JE
JC
sơ đồ phân cực trong BJT
JE
JC
Tham số
Hệ thức cơ bản về các dòng điện trong Transistor
Hệ số truyền đạt dòng điện α của Transistor

Hệ số khuếch đại dòng điện β của Transistor

Ta có hệ thức:
3. Các dạng mắc BJT
3.1 Mạch chung Emitter (EC)
Họ đường đặc tuyến vào
IB = f(UBE) khi UCE = const
Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của sơ đồ EC
Họ đường đặc tuyến ra: IC = f(UCE ) khi IB=const
Họ đường đặc tuyến truyền đạt: IC = f(IBE) khi UCE = const
Hệ số khuếch đại
Theo định luật Kiếchôp ta có
Giải phương trình với IC, chúng ta có mối quan hệ giữa IC và IB
Trong đó β = (1-) là hệ số khuếch đại CE
( thông thường  = 0,99; β = 99)
Một số mạch EC
3.2 Mạch chung Base (BC)
Họ đường đặc tuyến vào
IE=f(UEB) khi điện áp ra UCB =const
Họ đường đặc tuyến ra và truyền đạt
Đặc tuyến ra:IC= f(UCB) khi giữ dòng vào IE=const
Đặc tuyến truyền đạt: IC=f(IE) khi khi UCB = const
3.3 Mạch chung Collector (CC)
Họ đường đặc tuyến vào
Đặc tuyến ra của sơ đồ CC
Đường thẳng lấy điện (Load line)
Phương trình đường thẳng lấy điện : VCC=ICRC+VCE
viết lại: IC = ( VCC – VCE)/ RC = -VCE / RC + VCC /RC
Đường lấy điện đựợc vẽ trên đặc tuyến ra qua 2 điểm xác định sau:
Điểm ngưng, IC = 0  VCE= VCC (Điểm M)
Điểm bão hòa: VCE = 0  IC = VCC/ RC (Điểm N)
nối 2 điểm M và N lại ta có được đường lấy điện
Giao điểm đường lấy điện và đường phân cực IB chọn trước cho ta trị số điểm tĩnh Q.
Đường thẳng lấy điện cho EC
Vai trò của đường thẳng lấy điện

Phân giải mạch Transistor.
Xác định điểm tĩnh điều hành Q.
Cho biết trạng thái hoạt động của transistor ( tác động, bão hoà, ngưng).
Mạch khuếch đại có tuyến tính hay không.
Thiết kế mạch khuếch theo ý định ( chọn trước điểm tĩnh Q , tính các trị số linh kiện)
Chú ý:
Độ lợi dòng điện thay đổi theo vị trí điểm tĩnh điều hành Q.
Điểm tĩnh điều hành Q thay đổi vị trí theo điện thế phân cực transistor và còn thay đổi theo tín hiệu xoay chiều ( AC) tác động vào mạch .

Phân giải bằng đồ thị
4. Phân cực của BJT
Vùng hoạt động của BJT:
Vùng tác động: (Vùng khuếch đại hay tuyến tính)
Mối ghép B-E phân cực thuận
Mối ghép B-C phân cực nghịch
Vùng bảo hòa:
Mối ghép B-E phân cực thuận
Mối ghép B-C phân cực thuận
Vùng ngưng: Mối ghép B-E phân cực nghịch
Phương pháp chung để phân giải mạch phân cực gồm ba bước:
Bước 1: Dùng mạch điện ngõ vào để xác định dòng điện ngõ vào (IB hoặc IE).
Bước 2: Suy ra dòng điện ngõ ra từ các liên hệ IC=βIB hay IC=αIE
Bước 3: Dùng mạch điện ngõ ra để tìm các thông số còn lại (điện thế tại các chân, giữa các chân của BJT...)
4.1 Phân cực cố định của BJT (Fixed – Bias)
Phân cực cố định của BJT (Fixed – Bias)
Mạch ngõ nền-phát (Base-Emitter):



Với VBE = 0.7V nếu BJT là Si và VBE = 0.3V nếu là Ge.
Suy ra : IC=βIB
Mạch ngõ ra thu-nền (Collector-Base):
hay
Đây là phương trình đường thẳng lấy điện.
Sự bảo hòa của BJT
Sự liên hệ giữa IC và IB sẽ quyết định BJT có hoạt động trong vùng tuyến tính hay không. Ðể BJT hoạt động trong vùng tuyến tính thì nối thu - nền (CE) phải phân cực nghịch. Ở BJT NPN và cụ thể ở mạch vừa xét ta phải có:
Nếu
thì BJT sẽ đi dần vào hoạt động trong vùng bão hòa. Từ điều kiện này và liên hệ IC=βIB ta tìm được trị số tối đa của IB, từ đó chọn RB sao cho thích hợp.
Nếu
Thì VC≤VB, nối CB (thu-nền) phân cực thuận, BJT hoàn toàn nằm trong vùng bão hòa và dòng điện
được gọi là dòng cực thu bão hòa ICsat
tức VCE = 0V (thực ra khoảng 0.2V)
4.2 Phân cực ổn định cực phát
Mạch cơ bản giống mạch phân cực cố định, nhưng ở cực emitter được mắc thêm một điện trở RE xuống mass. Cách tính phân cực cũng có các bước giống như ở mạch phân cực cố định.
Ta có:
Thay
Ở mạch CE(thu-phát):
Trong đó:
(suy ra IC từ liên hệ: IC=βIB)
Sự bảo hòa của BJT
Tương tự như trong mạch phân cực cố định, bằng cách cho nối tắt giữa cực thu và cực phát ta tìm được dòng điện cực thu bảo hòa ICsat
Ta thấy khi thêm RE vào, ICsat nhỏ hơn trong trường hợp phân cực cố định, tức BJT dễ bão hòa hơn.
4.3 Phân cực bằng cầu chia điện thế
Dùng định lý Thevenin biến đổi thành mạch tương đương
Trong đó:
Thay: IE=(1+β)IB Suy ra:
Mạch CE (thu phát):
Vì
Mạch BE (nền phát):
Từ liên hệ
Ngoài ra:
Sự bảo hòa của BJT
Tương tự như phần trước:
4.4 Phân cực với hồi tiếp điện thế
Ðây cũng là cách phân cực cải thiện độ ổn định cho hoạt động của BJT
Mạch nền phát:
Với
4.5 Một số dạng mạch phân cực khác
5. Thiết kế mạch phân cực
Khi thiết kế mạch phân cực, người ta thường dùng các định luật căn bản về mạch điện như định luật Ohm, định luật Kirchoff, định lý Thevenin..., để từ các thông số đã biết tìm ra các thông số chưa biết của mạch điện.
Thí dụ 1
Cho mạch phân cực với đặc tuyến ngõ ra của BJT như hình dưới. Xác định VCC, RC, RB.
Từ đường thẳng lấy điện: VCE =VCC-RCIC
Tại trục trục tọa độ UCE , khi IB=0 ta suy ra IC=0 và VCE =20V thay vào phương trình đường thẳng lấy điện ta có VCC=20V
Ngoài ra: Transistor làm từ vật liệu thuần bán dẫn Si do đó VBE=0.7V và
Để có các điện trở tiêu chuẩn ta chọn: RB=470 K, RC=2.4 K..
Thí dụ 2
Thiết kế mạch phân cực như hình dưới. IC=2mA, VCE=10V
Điện trở RC và RE không thể tính trực tiếp từ các thông số đã biết. Việc đưa điện trở RE vào mạch là để ổn định điều kiện phân cực. RE không thể có trị số quá lớn vì như thế làm giảm VCE (sẽ làm giảm độ khuếch đại). Nhưng nếu RE quá nhỏ thì độ ổn định kém. Thực nghiệm người ta thường chọn VE khoảng 1/10VCC.


Chọn RB=1.2 MΩ
Thí dụ 3
Thiết kế mạch phân cực có dạng như hình dưới
Ta có:



Ðiện trở R1, R2 không thể tính trực tiếp từ điện thế chân B và điện thế nguồn. Ðể mạch hoạt động tốt, ta phải chọn R1, R2 sao cho có VB mong muốn và sao cho dòng qua R1, R2 gần như bằng nhau và rất lớn đối với IB.
Lúc đó:
Ta có thể chọn:
Ta có thể chọn: R1=39kΩ hoặc 47kΩ
6. BJT hoạt động như một chuyển mạch
Thí dụ: Xác định RC và RB của mạch điện nếu ICsat=10mA
Ta chọn IB=60μA để đảm bảo BJT hoạt động trong vùng bảo hòa
Do đó ta thiết kế: RC=1kΩ
RB=150kΩ
Thí dụ ở 1 BJT bình thường:
ts=120ns ; tr=13ns
tf=132ns ; td=25ns
Vậy: ton=38ns ; toff=132ns
Một số ứng dụng của BJT hoạt động như một chuyển mạch
Using a transistor as a switch
NPN
PNP
Using a transistor switch with sensors
Đóng ngắt đèn
7. Tính khuếch đại của BJT
Giả sử ta đưa một tín hiệu xoay chiều Vin(t) có dạng sin, biên độ nhỏ vào chân B của BJT khi đó ta có:
VB(t)=VB+Vin(t)
Các tụ liên lạc C1 và C2 được chọn như thế nào để có thể xem như nối tắt -dung kháng rất nhỏ - ở tần số của tín hiệu.
Như vậy tác dụng của các tụ liên lạc C1, C2 làm cho thành phần xoay chiều của tín hiệu đi qua và ngăn thành phần phân cực một chiều.
VB(t) >VB→IB↑ → IC ↑ →VC(t)=VCC-RCiC(t) ↓
VB(t) VOut(t) ngược pha với VIn(t).


là độ khuếch đại hay độ lợi điện thế của mạch
Chìa khóa để phân giải và xác định các thông số của mạch là mạch tương đương xoay chiều.

Độ lợi điện thế:

Độ lợi dòng điện:

Tổng trở vào:

Tổng trở ra:
Dạng mạch tương đương
Mạch cực Emitter và Collector chung
Dạng đơn giản
Dạng đầy đủ
kiểu mẫu re
Dạng đơn giản
Dạng đầy đủ
thông số h
Mạch cực nền chung
Dạng đơn giản
Dạng đầy đủ
kiểu mẫu re
Dạng đơn giản
Dạng đầy đủ
thông số h
Các liên hệ cần chú ý:
;
Ngoài ra:
Do đó nguồn phụ thuộc βib có thể thay thế bằng nguồn gm.vbe
8. Mạch khuếch đại cực phát (E) chung

Trị số β do nhà sản xuất cho biết
Trị số re được tính từ mạch phân cực:
Từ mạch tương đương ta tìm được các thông số của mạch.
Ðộ lợi điện thế:
Ta có:
Suy ra:
Do
nên
Nếu
thì
Dấu - cho thấy vo và vi ngược pha
Tổng trở vào:
Ta đặt:
Suy ra:
Ðộ lợi dòng điện:
Hay
Tổng trở ra:
Ðể tính tổng trở ra của mạch, đầu tiên ta nối tắt ngõ vào (vi=0);
áp một nguồn giả tưởng có trị số vo vào phía ngõ ra như trên,

xong lập tỉ số
Khi vi=0 ⇒ ib = 0 ⇒ βib=0 (tương đương mạch hở) nên
Mạch tương đương
Trong trường hợp nối thêm CE hoặc nối chân E xuống mass
Phân giải mạch ta sẽ tìm được:
Mạch khuếch đại cực phát chung với kiểu phân cực bằng cầu chia điện thế và ổn định cực phát
Mạch tương đương
Trong trường hợp nối thêm CE hoặc nối chân E xuống mass
Mạch khuếch đại cực phát chung phân cực bằng hồi tiếp điện thế và ổn định cực phát
9. Phân giải theo thông số h đơn giản
liên hệ 2 mạch tương đương
Mạch khuếch đại cực phát chung
Mạch tương đương
Phân giải mạch tương đương ta tìm được
Tổng trở vào Zi=R1//R2//Zb
với: Zb=hie+(1+hfe)RE=hie+hfeRE
Ðộ lợi điện thế:
Ta có:
Thường
Tổng trở ra: Zo=RC

Ðộ lợi dòng điện:
Hay
10. MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI CỦA BJT
mạch khuếch đại micro dùng cho máy tăng âm
Mạch tạo dao động sóng hình sin
Mạch đa hài tự dao động dùng tranzito lưỡng cực
Hình dạng thực của Transistor BJT