Chương 5
Transistor lưỡng cực

I. Cấu tạo
1. Kháiniệm:
Transistor là linh kiện được tạo thành bởi 2 lớp tiếp xúc P-N ghép liên tiếp, miền giữa có bề rộng nhỏ tạo 2 tiếp xúc P-N gần nhau.
Transistor đầu tiên
2. Cấu tạo và kí hiệu
Khi ghép 1 bán dẫn điện âm nằm giữa 2 bán dẫn điện dương ta được 1 PNP transistor.

Kí hiệu:
Khi ghép 1 bán dẫn điện dương nằm giữa 2 bán dẫn điện âm ta được 1 NPN transistor.

Kí hiệu:

Transistor có 3 chân nối ra ngoài
Cực E (Emitter) : còn được gọi là cực phát được pha đậm nên nồng độ hạt dẫn lớn, khả năng sinh dòng lớn.
Cực C (Collector) : được gọi là cực thu, vùng này cũng được pha đậm (nhưng nhạt hơn vùng E) để có độ dẫn điện tốt hơn.
Cực B (Basec) : được gọi là cực nền, vùng này cũng được pha nhưng rất nhạt, rất mỏng, dùng để điều khiển dòng hạt tải phát ra từ cực E.
II. Nguyên tắc hoạt động
1. Transistor loại NPN
a. Khi chưa phân cực
Khi chưa đặt điện áp lên các cực của transistor thì các chuyển tiếp Je, Jc ở trạng thái cân bằng nên không có dòng qua các cực của transistor.
Khi chưa phân cực nền B
b. Khi phân cực
Phân cực Transistor hoạt động chế độ khuếch đai
Sự dẫn điện của trasistor được giải thích như sau:
Do mối nối BE được phân cực thuận :
- e : di chuyển từ B -> E tạo thành dòng IEn
- lỗ : di chuyển từ B -> E tạo thành dòng IEp
- do lượng tạp chất E>B, nên IEn >> IEp do đó dòng Emitter IE = IEn + IEp = IEn .
Các điện tử này sang đến B, do vừng nền B mỏng, nồng độ lỗ trống ít, nên chỉ có một số rất ít điện tử tái hợp với lỗ trống trong vùng nền.
Cực B nối với cực dương của nguồn VEE, nên sẽ hút một số ít điện tử trong vùng P xuống tạo thành dòng nền IB
Cực C nối với cực dương nguồn VCC cao hơn, nên nó hút hầu hết các điện tử ở vùng P sàng vùng N của cực C, tạo thành dòng cực thu collettor IC
Cực E nối với nguồn âm nên vùng bán dẫn N ở cực E mất điện tử sẽ hút điện tử ở nguồn âm lên thế chỗ tạo thành dòng IE

Với việc phân tích mạch như trên ta thấy :
IE = IC + IB (1)
Đặt α = IC / IE gọi là hệ số truyền đạt dòng phát (0.95< α <0.99).
=> IC = α . IE do mối nối thu nền phân cực nghịch nên qua mối nối ngoài dòng IC nói trên còn có dòng điện ngược ICBO do vavs hạt tải nhiều gây ra, nên dòng qua cực C:
IC = αIE + ICBO (2)
Từ (1)(2) ta có: IC = α(IB + IC )+ ICBO
=> IC = (αIB + ICBO) / (1-α)
Đặt β = α / (1 – α) được gọi là hệ số khuếch đại dòng của transistor.
Ở nhiệt độ thường dòng ICBO rất nhỏ có thể bỏ qua nên :
=> IC = βIB (3)
=> IE = IC + IB =(β + 1) IB (4)
Do α < 1, nên β >>1, từ (3)(4) ta có:
IC ≈ IE = βIB
=> Ta nói transistor có chức năng khuếch đại dòng một chiều.
2. Transistor loại PNP
Giải thích các dòng của transistor PNP tương tự như transistor NPN, các hệ thức liên hệ dòng vẫn đúng, nhưng chiều dòng điện của transistor PNP ngược so với transistor NPN.
Chiều dòng điện transistor
Dòng bảo hòa ngược (rỉ) ICBO
Do mối nối BC (thu-nền) bị phân cực ngược nên qua mối nối này ngoài dòng IC nói trên, còn có dòng điện ngược ICBO do các hạt tải thiểu số gây ra, như vậy dòng qua cực thu C bao gồm : IC = αIE + ICBO.
Khi ở nhiệt độ thường, dòng rỉ ICO nhỏ có thể bỏ qua. Nhưng khi nhiệt độ tăng, thì liên kết đồng hóa trị bị bẻ gãy, dòng ICBO tăng =>dòng IC tăng. Hiện tượng này xảy ra dây chuyền gây ra hiện tượng thác lũ làm hỏng transistor.
Do đó để bảo vệ transistor khi nhiệt độ tăng người ta giới hạn dòng rỉ ICBO bằng cách phân cực ổn định nhiệt cho nó.
III.Tra cứu-hình dạng-cách đo thử
1.Tra cứu và hình dạng transistor
a.Transistor của nhật
Thường kí hiệu là A…, B…, C…, D…
VD: A564, B733, C828, D1555
Trong đó:
- Các transistor ký hiệu A và B là transistor thuận PNP còn ký hiệu C và D là transistor ngược NPN.
- Các transistor A và C thường có công suất nhỏ và tần số làm việc cao (f>5M), còn các transistor B và D thường có công suất lớn và tần số làm việc thấp hơn.
Ngoài ra người ta còn kí hiệu là 1SA…, 2SA…, 1SB…, …Trong đó :
- Chữ số 1 là chỉ Diode, 2 là chỉ Transistor
- S để chỉ vật liệu là vật liệu bán dẫn S (Semiconductor)
VD: 2SA49 là BJT PNP cao tần thứ tự đăng kí sản phẩm là 49
Hình dạng
b.Transistor của mỹ
1N…chỉ Diode, 2N…chỉ BJT. Sau đó là thứ tự của sản phẩm.
-VD: 2N2222, 2N3055, 2N4073…
Ngoài ra BJT của mỹ còn nhiều loại kí hiệu như : HEP…, MPS…, MJE…, TIP…, ZTX…
Hình dạng
Transistor 2N 3055
c.Transistor của một số nước châu âu
Thường có 2 chữ cái ở đầu và 3 chữ số ở sau
- Chữ cái đầu chỉ chất bán dẫn chế tạo :
A Germani, B Silic, C Gali Acxennit, D Indi Antimoanit.
-Chữ cái thứ 2 chỉ dải tần số làm việc :
. C: BJT âm tầng công suất nhỏ
. D: BJT cao tầng công suất lớn
. F: BJT cao tầng công suất nhỏ
. L: BJT cao tầng công suất lớn
. S: BJT chuyển mạch công suất nhỏ
. U: BJT chuyển mạch công suất lớn
VD: AF 240 là transistor loại Germani tần số cao.
d.Transistor của liên xô
Trong kí hiệu thường có 2 chữ đầu Trong đó :
-Chữ cái đầu tiên chỉ chất liệu chế tạo : số 1 hay I = Germani, số 2 hay K = Silic, số 3 hay A = Asenic Gali
-Chữ thứ 2 dùng để chỉ transistor : T
VD: IT 403 là BJT loại Ge
KT 308 là BJT loại Si
Hình dạng một số transistor
2.Cách đo thử
a. Phép đo cho biết transistor còn tốt:
- B1: chuẩn bị đo để đồng hổ ở thang x1Ω.
- B2 và B3: đo thuận chiều BE và BC => kim lên.
- B4 và B5: đo ngược chiều BE và BC => kim không lên.
- B6: đo giữa C và E kim không lên
=>Bóng tốt.
b. Phép đo cho biết transistor bị chập BE
- B1: chuẩn bị
- B2: đo thuận giữa B và E kim lên = 0 Ω
- B3: đo ngược giữa B và E kim lên =0 Ω
=>Bóng chập BE.
c. Phép đo cho biết bóng bị đứt BE :
- B1: chuẩn bị.
- B2 và B3: đi cả hai chiều giữa B và E kim không lên.
=>Bóng đứt BE.
d. Phép đo cho biết bóng bị chập CE :
- B1: chuẩn bị.
- B2 và B4: đo cả hai chiều giữa C và E kim lên = 0 Ω
=>Bóng chập CE.
Trường hợp đo giữa C và E kim lên một chút là bị dò CE.
e. cách đo xác định loại và cực của transistor
Trong 2 lần đo phân cực thuận nếu chân cố định là (+) pin thì cực đó là cực B và transistor đó là NPN.
Còn chân cố định là (-) pin thì là cực B và loại transistor đó là PNP.
Đo điện trở ngược của tiếp xúc BE và BC đế xác định cực C,E.
Để VOM ở giai đoạn đo R x 10 KΩ
- Loại NPN: (-) pin ở cực B , (+) pin 2 cực còn lại.
- Loại PNP: (+)pin ở cực B, (-) pin 2 cực còn lại.
Trong 2 lần đo, nếu giá trị R nào lớn hơn thì đó là cực C (RBC = ∞, RBE < ∞).
IV. Các thông số quan tâm khi sử dụng
1.Điện thế giới hạn
Điện thế đánh thủng BV là điện thế ngược tối đa đặt vào giữa các cặp cực, nếu quá điện thế này thì transistor sẽ bị hư. Có 3 loại điện thế giới hạn :
- BVCE0 : điện thế đánh thủng giữa C và E khi cực B hở.
- BVCB0 : điện thế đánh thủng giữa C và B khi cực E hở.
-BVEB0 : điện thế đánh thủng giữa E và B khi cực C hở.
2.Dòng điện giới hạn
Dòng qua transistor phải được giới hạn ở một mức độ cho phép, nếu quá giá trị này thì transistor sẽ bị hư.
Ta có ICmax là dòng tối đa của cực C và IBmax là dòng tối đa của cực B.
3.Công suất giới hạn
Khi dòng điện qua transistor sẽ sinh ra một công suất nhiệt làm nóng transistor, công suất sinh ra được tính theo công thức:
PT = IC . VCE
Mỗi transistor đều có công suất giới hạn gọi là công suất tiêu tán tối đa PDmax
Nếu công suất sinh ra lớn hơn công suất PDmax thì transistor sẽ bị hư.
4.Tần số cắt (thiết đoạn)
Tần số thiết đoạn là tần số mà transistor hết khả năng khuếch đại.
VD: Transistor 2SC458 có thông số kĩ thuật :
β = 230, BVCE0 = 6V, BVEβ0 = 6V,
PDmax = 200mW, f cut – off = 230 MHZ,
ICmax = 100 mA loại NPN chất Si.
V.Các sơ đồ mạch cơ bản của transistor
Do transistor là linh kiện bán dẫn có 3 cực. Khi sử dụng sẽ đưa tín hiệu vào giữa 2 cực và lấy ra giữa 2 cực, do đó có 1 cực chung cho cả lối vào và lối ra. Dựa vào tính chất này người ta phân biệt có 3 cách ráp mạch cơ bản:
- Mạch Bazo chung (CB)
- Mạch Emitor chung (CE)
-Mạch Colector chung (CC)
Mạch bazo chung (CB)
Tín hiệu cần khuếch đại đưa vào cực B và cực E.
Tín hiệu sau khi khuếch đại lấy ra giữa cực C và cực B.
Cực B là chung của mạch vào và mạch ra
Do đó :
- Dòng điện vào là dòng Emitor (IE), dòng điện ra là dòng Colector.
- Điện áp vào là VEB điện áp ra là VCB.
Sơ đồ mạch Bazo chung (CB)
Mạch Emitor chung (CE)
Tín hiệu cần khuếch đại đưa vào cực B và cực E.
Tín hiệu sau khi khuếch đại lấy ra giữa cực E và cực C.
Cực E là chung của mạch vào và mạch ra
Do đó :
- Dòng điện vào là dòng Base (IB), dòng điện ra là dòng Colector.
- Điện áp vào là VEB điện áp ra là VEC.
Sơ đồ mạch Emitor chung (CE)
Mạch Colector chung (CC)
Tín hiệu cần khuếch đại đưa vào cực B và cực C.
Tín hiệu sau khi khuếch đại lấy ra giữa cực E và cực C.
Cực C là chung của mạch vào và mạch ra
Do đó :
- Dòng điện vào là dòng Base (IB), dòng điện ra là dòng Emitor.
- Điện áp vào là VCB điện áp ra là VEC.
Sơ đồ mạch Colector chung (CC)
VI.Đặc tuyến volt-Ampre ( V – A ) của BJT
Mạch khảo sát đặc tuyến V-A của BJT kiểu CE
1.Đặc tuyến ngõ vào IB =f(VBE)
Mạch cho ta đặc tuyến với IB là thông dố và VBE là biến. Thực chất đây chính là nhánh thuận của đặc tuyến diode.
Ở mỗi điện thế VBE thì dòng IB có giá trị khác nhau ví dụ như
VBE ≈ 0,25V ; IB = 10μA
VBE ≈ 0,5V ; IB = 50 μA
VBE ≈ 0,6V ; IB = 80 μA
Đặc tuyến ngõ vào của BJT
2.Đặc tuyến ngõ ra IC =f(VCE)
Lần lượt đặt IB bằng 10μA, mỗi lần tăng 10 μA
Thay đổi VCE, đo IC
Mỗi thông số IB cho một đặc tuyến chỉ rõ sự thay đổi của IC theo VCE.
Họ đặc tuyến ngõ ra của BJT
3.Đặc tuyến truyền đạt dòng điện
IC = f(β)
Độ khuếch đại dòng điện β của transistor có trị số thay đổi theo dòng điện IC.
Trong phạm vi dòng điện lớn, giá trị β giảm, cho nên đặc tuyến không còn tuyến tính nữa.
Đặc tuyến truyền đạt dòng điện của BJT
Ngoài ra khi khảo sát đặc tuyến truyền đạt dòng điện người ta còn quan tâm đến mối liên hệ giữa dòng điện ngõ ra và hệ số khuếch đại hFE (hay β) khi nhiệt độ là hằng số cố định.
4.Đặc tuyến truyền dẫn IC = f(VBE)
Đặc tuyến này có một giai đoạn thích hợp cho việc áp tín hiệu xoay chiều Vbc = Vmsinwt vào nền (so với mass E).
IC xoay chiều ra biến thiên tuyến tính theo Vbc nên dạng sóng ra cũng có dạng hình sin cùng tần số, đồng pha, nhưng biên độ tuần hoàn đã được khuếch đại.
=> ta nói transistor có khả năng khuếch đại tín hiệu.
Đặc tuyến truyền dẫn
VII.Phân cực BJT
1.Yêu cầu ổn định điểm làm việc
Dòng điện ngược collector ICBO tăng nhanh theo nhiệt độ.
ICBO (t2) = ICBO (t1) . exp [KI (T2 –T1)]
Với :
- ICBO (t1) là dòng điện rỉ ở nhiệt độ T1
- ICBO (t2) là dòng điện rỉ ở nhiệt độ T2
- K1 là hệ số nhiệt (=0,07/°C đối với Ge và =0,12 /°C đối với Si).
- T là nhiệt độ môi trường
Hệ số khuếch đại dòng β cũng tăng theo nhiệt độ.
- Theo thực nghiệm, khi nhiệt độ tăng 1°C thì độ khuếch đại cũng tăng thêm khoảng 1%.
- Hệ số nhiệt của β là:
[ (Δβ /ΔT°) / β ] . 100% = 1%
Điện áp chuyển tiếp VBE giảm khi nhiệt độ tăng.
(ΔVγ /ΔT°) = KV
(KV = -2.5 mV/°C với Ge, =-2 mV/°C với Si)
- Để biển diễn sự ảnh hưởng của dòng ICBO theo nhiệt độ người ta định nghĩa thừa số bất ổn định nhiệt (S: Stabbility factor)
SI = ΔIC /ΔICO =1 + (RB / RE)
- Công thức trên cho thấy S càng nhỏ thì mạch càng ổn định.
2.Các mạch phân cực BJT