Bài giảng Linh kiện điện tử - Chương 4: Transistor lưỡng cực

Chương 4:Transistor lưỡng cựcCấu tạo và nguyên lý hoạt động của TransistorCác chế độ làm việc của TransistorCác cách mắc Transistor trong mạch khuếch đạiPhân cực cho TransistorSơ đồ tương đương của TransistorMột số ứng dụng của TransistorTransistor lưỡng cựcTransistor lưỡng cực là linh kiện gồm có 3 lớp bán dẫn và hai lớp tiếp giáp p-n. Ba lớp bán dẫn được đưa ra ba cực là Emitter, Base, CollectorNếu ba lớp bán dẫn lần lượt là p-n-p thì đó là transistor loại thuậnNếu ba lớp bán dẫn lần lượt là n-p-n thì đó là transistror loại ngượcCấu tạo của TransistorLớp Emitter được pha tạp với nồng độ cao nhấtLớp Bazo được pha tạp với nồng độ thấp nhất và rất mỏngLớp Collector được pha tạp với nồng độ trung bìnhTiếp giáp giữa emitter và bazo gọi là tiếp giáp emitter (JE)Tiếp giáp giữa collector và bazo gọi là tiếp giáp collector (JC)Nguyên lý làm việc của TransistorKhi chưa cấp điện áp đến các cực của transistor thì các tiếp giáp JE, JC ở trạng thái cân bằng nên tổng dòng điện trong transistor bằng 0Để transistor làm việc, phải cấp điện áp một chiều thích hợp (gọi là phân cực cho transistor):Chế độ ngắt (cutoff): Điện áp một chiều làm JE, JC đều phân cực ngượcChế độ dẫn bão hòa (saturation): Điện áp một chiều làm JE, JC đều phân cực thuậnChế độ tích cực (linear): Điện áp một chiều làm JE phân cực thuận còn JC phân cực ngược.Chế độ ngắt của transistorJC và JE đều phân cực ngược, nên trong transistor chỉ có dòng ngược của hai tiếp giáp đều rất nhỏ, nên có thể coi bằng 0. Điện trở của transistor rất lớn, UCE≈VCCChế độ dẫn bão hòa của transistorJE và JC đều phân cực thuận nên điện trở của transistor rất nhỏ và có thể coi như cực C và E bị nối tắt và UCE xấp xỉ bằng 0Nguyên lý làm việc của TransistorTransistor làm việc ở chế độ tích cựcĐể transistor làm việc ở chế độ tích cực (khuếch đại), thì phải phân cực cho transistor theo nguyên tắc JE phân cực thuận, JC phân cực ngược (UC>UB>UE: npn; UC<UB<UE: pnp)Transistor làm việc ở chế độ tích cựcXét nguyên lý hoạt động của transistor npnJE phân cực thuận nên có dòng electron từ miền E khuếch tán sang miền B→dòng IECác electron từ miền E sang miền B bị tái hợp một phần với lỗ trống ở miền B, nhưng do miền B pha tạp rất thấp, và độ dày của nó rất nhỏ nên lượng electron bị tái hợp rất ít→dòng IBCác electron từ miền E khuếch tán qua miền B, đến được JC sẽ bị điện trường phân cực ngược của JC cuốn sang miền C→dòng ICĐối với transistor pnp cũng hoạt động tương tự như vậy, nhưng đổi vai trò của electron thành lỗ trống, và chiều của các dòng điện ngược lại với transistor npnα: Hệ số truyền đạt dòng điệnβ: Hệ số khuếch đại dòng điệnCác cách mắc transistor trong sơ đồ khuếch đạiMột mạch điện tử xử lý tín hiệu, thường được coi như một mạng bốn cực với hai đầu đưa tín hiệu vào, và hai đầu lấy tín hiệu raTransistor là một linh kiện 3 cực, nên để khi sử dụng ta phải đặt một cực chung cho cả đầu vào và đầu ra. Nếu dùng chung cực B ta có cách mắc B chung (BC); chung cực E ta có cách mắc E chung (EC); chung cực C ta có cách mắc C chung (CC)TU2 (ra)U1 (vao)EU1 (vao)U2 (ra)BU1 (vao)U2 (ra)CU1 (vao)U2 (ra)Phương trình các họ đặc tuyến của transistorCoi transistor là một mạng bốn cực, người ta viết được hệ các phương trình mô tả qua hệ giữa dòng điện, điện áp đầu vào, đầu ra của transistor từ đó xác định được các đặc tuyến của transistorHọ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu B chungDùng phương pháp thực nghiệm, đo các thông số của mạch để vẽ họ đặc tuyếnHọ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu B chungIE mAUEB VUCB = 1VUCB = 6V13IC mAUCB VIE =1mAIE =2mAIE =3mA3-5IE mA3UCB = 6VUCB = 2VHọ đặc tuyến vàoHọ đặc tuyến ra và họ đặc tuyến truyền đạtBUEB (vao)UCB(ra)Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu E chungDùng phương pháp thực nghiệm, đo các thông số của mạch để vẽ họ đặc tuyếnHọ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu E chungUCE = 2VUCE = 6VIB AUBE V1100Họ đặc tuyến vàoIB =20AIB =40AIB =60AUCE = 6VUCE = 2VIC mAUCE V4-5IB A100Họ đặc tuyến ra và họ đặc tuyến truyền đạtEUBE (vao)UCE (ra)Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu C chungHọ đặc tuyến vàoHọ đặc tuyến ra và họ đặc tuyến truyền đạtUCB(vao)UCE(ra)CIE mAUCE VIB =20AIB =40AIB =60A4-5IB A100UCE = 6VUCE = 2VIB AUCB VUCE =41VUCE = 21V-4100Phân cực cho transistorĐối với chế độ dẫn bão hòa và chế độ khóa, chỉ cần cung cấp một điện áp phân cực đủ lớn (nhỏ) để JE, JC cùng phân cực thuận (ngược)Đối với chế độ tích cực (tuyến tính, khuếch đại), để tín hiệu khuếch đại không bị méo phải cung cấp các điện áp, dòng điện một chiều ổn định đến các cực của transistor (để khi cộng với tín hiệu xoay chiều vào, transistor không bị rơi vào chế độ dẫn bão hòa hoặc chế độ khóa)Điểm làm việc tĩnh và đường tải tĩnhĐiểm làm việc tĩnh là một điểm nằm trên đặc tuyến ra tĩnh của transistor, nó xác định điện áp, dòng điện một chiều trên các cực của transistorĐiểm làm việc tĩnh và đường tải tĩnhTập hợp các điểm làm việc tĩnh, ta được một đường thẳng gọi là đường làm tải tĩnhVới sơ đồ phân cực như hình vẽ dưới thì: Đường tải tĩnh cắt trục tung tại điểm mà transistor làm việc ở chế độ dẫn bão hòa; cắt trục hoành tại điểm mà transistor làm việc ở chế độ khóa; phương trình đường tải tĩnh: IC=f(UCE)Ổn định nhiệt cho điểm làm việc tĩnhTransistor là linh kiện rất nhạy cảm với nhiệt độ (nhất là các đại lượng ICB0 và UCE), khi nhiệt độ thay đổi thì sẽ làm các tham số của trasistor thay đổi vì IC = αIE + Icbo nên khi nhiệt độ thay đổi thì điểm làm việc tĩnh sẽ thay đổi Để đánh giá độ ổn định nhiệt người ta sử dụng hệ số ổn định nhiệt: S=  IC /  Icbo=dIC/dIcb0Phân cực cho transistor bằng dòng IB cố địnhDòng IBĐộ ổn định nhiệtTừ công thứcSuy raPhân cực cho transistor bằng điện áp phản hồiĐộ ổn định nhiệtPhân cực bằng phân ápĐộ ổn định nhiệtSơ đồ tương đương của Transistor làm việc ở chế độ tín hiệu nhỏ, tần số thấpKhi transistor làm việc ở chế độ tín hiệu nhỏ, tần số thấp, người ta thường sử dụng sơ đồ tương đương tham số hỗn hợp hCoi transistor là một mạng bốn cực tuyến tính, các điện áp và dòng điện vào là u1, i1; điện áp ra và dòng điện ra là u2, i2. Ta có phương trình tham số hỗn hợp h như sau:Mạng 4 cực(BJT)u1i1i2u2Ý nghĩa các tham sốTrở kháng vào khi ngắn mạch đầu ra (u2=0)Độ khuếch đại điện áp nghịch đảo khi hở mạch đầu vào (i1=0)Hệ số khuếch đại dòng điện khi ngắn mạch đầu ra (u2=0)Dẫn nạp đầu ra khi hở mạch đầu vào (i1=0)Quy ước ký hiệuKý hiệu theo tiêu chuẩn của IEEE (Insitute of Electrical and Electronics Engineers):i(in)=11: đầu vào	o(out)=22: đầu raf(forward)=21: thuận	r(reverse)=12: ngượcVới transistor có các kiểu mắc B-chung, C-chung, E-chung, nên có các ký hiệu b,c,e ở sau tham số h để chỉ kiểu mắc đóVí dụ: hib=h11b: Trở kháng vào theo các mắc B-chunghfe=h21e: Hệ số khuếch đại thuận dòng điện theo cách mắc E-chungĐối với transistor, các tham số hỗn hợp thường được nhà sản xuất cho trước trong datasheet của linh kiệnMạch tương đương hỗn hợph11h22h12u2h21i1i1i2u2u1Mạng bốn cựcMạch tương đương hỗn hợp của transistorSơ đồ tương đương hỗn hợp cách mắc EChiehoehreucehfeibibicuceubeMạng bốn cựcMạch tương đương hỗn hợp của transistor mắc ECSơ đồ tương đương hỗn hợp cách mắc BChibhobhrbucbhfbieieicucbuebMạng bốn cựcMạch tương đương hỗn hợp của transistor mắc BCSơ đồ tương đương hỗn hợp cách mắc CChichochrcubchfcibibieuecubcMạng bốn cựcMạch tương đương hỗn hợp của transistor mắc CCSơ đồ tương đương vật lý của transistorTrong mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, tần số thấp transistor còn được biểu thị bằng sơ đồ tương đương vật lý, hay còn gọi là sơ đồ tương đương tham số rSơ đồ tương đương vật lý có ưu điểm là đơn giản, dễ dàng xác định được tham số trở kháng của transistorαiere: Điện trở vi phân của tiếp giáp EB và miền Erb: Điện trở vi phân của miền Brce: Điện trở vi phân của lớp tiếp giáp CBSơ đồ tương đương vật lý của transistorrb: có giá trị rất nhỏ (vài Ω đến vài chục Ω), nên có thể coi là rb ngắn mạchrce: có giá trị rất lớn (vài trăm kΩ) nên có thể coi là hở mạchre: là điện trở vi phân của lớp tiếp tiếp giáp EB nên có thể tính gần đúng bằng công thức: re=26mv/ICαieibieαieicSơ đồ tương đương vật lý đơn giảnTính trở kháng vào và ra của transistor mắc kiểu EC, BC, CC?Ứng dụng của transistorKhuếch đạiKhi transistor làm việc ở chế độ tích cực (JE phân cực thuận, JC phân cực ngược), thì nó có khả năng khuếch đại tín hiệu, tùy theo mục đích sử dụng mà có các mạch khuếch đại: KĐ tín hiệu nhỏ, KĐ công suất, KĐ vi sai, KĐ cộng hưởng,(sẽ học ở môn học “Điện tử cơ bản”)Mạch KĐ tín hiệu nhỏMạch KĐ công suấtỨng dụng của transistorTạo dao độngKhi transistor làm việc ở chế độ tích cực, với một khung cộng hưởng, và chế độ hồi tiếp thích hợp, transistor có khả năng tạo dao động điều hòa: Dao động ba điểm điện cảm, dao động ba điểm điện dung, dao động ghép biến áp,.Mạch DĐ 3 điểm điện cảmMạch DĐ 3 điểm điện dung Ứng dụng của transistorMạch xung sốKhi transistor làm việc ở chế độ ngắt (cắt và dẫn bão hòa), người ta sử dụng transistor trong các mạch tạo xung, và các mạch logic (họ TTL)Mạch dao động đa hàiGiải thích nguyên lý hoạt động???Ứng dụng của transistorGiả sử mức logic 1 ứng với 5V, mức logic 0 ứng với 0VHãy viết bảng chân lý của các hàm sau?