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

Chương 4: Transistor lưỡng cực • Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Transistor • Các chế độ làm việc của Transistor • Các cách mắc Transistor trong mạch khuếch đại SITY • Phân cực cho Transistor NIVER • Sơ đồ tương đương của Transistor • Một số ứng dụng của Transistor ANG U NHATR Transistor lưỡng cực • Transistor 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, Collector – Nếu ba lớp bán dẫn lần lượt là p-n-p thì đó là transistor loại thuận SITY – Nếu ba lớp bán dẫn lần lượt là n-p-n thì đó là transistror loại ngược NIVER ANG U NHATR Cấu tạo của Transistor • Lớp Emitter được pha tạp với nồng độ cao nhất • Lớp Bazo được pha tạp với nồng độ thấp nhất và rất mỏng • Lớp Collector được pha tạp với nồng độ trung bình SITY – Tiếp giáp giữa emitter và bazo gọi là tiếp giáp emitter (JE) – Tiếp giáp giữa collector và bazo gọi là tiếp giáp collector (JC) NIVER ANG U NHATR Nguyên lý làm việc của Transistor • Khi 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 0 SITY • Để transistor làm việc, phải cấp điện áp một chiều thích hợp (gọi là phân cực cho transistor): NIVER – Chế độ ngắt (cutoff): Điện áp một chiều làm JE, JC đều phân cực ngược ANG U – Chế độ dẫn bão hòa (saturation): Điện áp một chiều làm JE, JC đều phân cực thuận NHATR – Chế độ tích cực (linear): Điện áp một chiều làm JE phân cực thuận còn JC phân cực ngược. Chế độ ngắt của transistor • JC 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≈VCC SITY NIVER ANG U NHATR Chế độ dẫn bão hòa của transistor • JE 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 0 SITY NIVER ANG U NHATR NHATRANG UNIVERSITY Nguyên Nguyên lý làmviệc của Transistor Transistor làm việc ở chế độ tích cực • Để 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) SITY NIVER ANG U NHATR Transistor làm việc ở chế độ tích cực • Xét nguyên lý hoạt động của transistor npn – JE phân cực thuận nên có dòng electron từ miền E khuếch tán sang miền B→dòng IE – Các electron từ miền E sang miền B bị tái hợp một SITY 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 I NIVER B – Các electron từ miền E khuếch tán qua miền B, đến được JC sẽ bị điện trường phân cực ngược của JC ANG U cuốn sang miền C→dòng IC • Đối với transistor pnp cũng hoạt động tương tự như vậy, nhưng đổi vai trò của electron thành lỗ NHATR trống, và chiều của các dòng điện ngược lại với transistor npn I E  I B  IC I   C SITY I E NIVER I   C  h I FE ANG U B α: Hệ số truyền NHATR đạt dòng điện β: Hệ số khuếch đại dòng điện Các cách mắc transistor trong sơ đồ khuếch đại • Một 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 ra • Transistor 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 SITY 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 NIVER cách mắc C chung (CC) U1 (vao) T U2 (ra) ANG U NHATR U U2 (ra) U 2 (ra) U1 (vao) U2 (ra) 1 (vao) U1 (vao) E B C Phương trình các họ đặc tuyến của transistor • Coi 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 transistor Tæng qu¸ t EC BC CC SITY § Æc tuyÕn vµo U =f(I )| U =f(I )| U =f(I )| U =f(I )| 1 1 U2 =const BE B UCE EB E UCE BC B UEC NIVER § Æc tuyÕn ph¶n håi U =f(U )| U =f(U )| U =f(U )| U =f(U )| 1 2 I 1 =const BE CE I B EB CB I E BC EC I B ANG U § Æc tuyÕn truyÒn I =f(I )| I =f(I )| I =f(I )| I =f(I )| NHATR ®¹t 2 1 U2 =const C B UCE C E UCB E B UEC § Æc tuyÕn ra I =f(U )| I =f(U )| I =f(U )| I =f(U )| 2 2 I 1 =const C CE I B C CB I E E EC I B Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu B chung • Dùng phương pháp thực nghiệm, đo các thông số của mạch để vẽ họ đặc tuyến SITY NIVER ANG U NHATR Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu B chung IE mA UCB = 6V UCB = 1V UEB (vao) UCB(ra) 3 SITY B U V NIVER EB UCB = 6V IC mA 1 IE =3mA ANG U Họ đặc UCB = 2V 3 I =2mA tuyến vào E IE =1mA NHATR IE mA 3 -5 UCB V Họ đặc tuyến ra và họ đặc tuyến truyền đạt Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu E chung • Dùng phương pháp thực nghiệm, đo các thông số của mạch để vẽ họ đặc tuyến SITY NIVER ANG U NHATR Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu E chung IB A UCE = 2V UCE = 6V UCE (ra) 100 UBE (vao) SITY E U = 6V NIVER CE UBE V IC mA 1 IB =60A ANG U Họ đặc UCE = 2V I =40A tuyến vào 4 B NHATR IB =20A IB A 100 -5 UCE V Họ đặc tuyến ra và họ đặc tuyến truyền đạt Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu C chung IB A UCE = 21V UCE(ra) 100 UCE =41V UCB(vao) C SITY UCE = 6V IE mA U V IB =60A NIVER CB -4 IB =40A UCE = 2V ANG U 4 I =20A Họ đặc B IB A NHATR tuyến vào 100 -5 UCE V Họ đặc tuyến ra và họ đặc tuyến truyền đạt Phân cực cho transistor • Đối 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 SITY 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 NIVER độ khóa) ANG U NHATR Điểm làm việc tĩnh và đường tải tĩnh • Điểm 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 transistor SITY NIVER ANG U NHATR Điểm làm việc tĩnh và đường tải tĩnh • Tập hợp các điểm làm việc tĩnh, ta được một đường thẳng gọi là đường làm tải tĩnh • Với 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 SITY việc ở chế độ khóa; phương trình đường tải tĩnh: IC=f(UCE) NIVER ANG U NHATR Ổn định nhiệt cho điểm làm việc tĩnh • Transistor là linh kiện rất nhạy cảm với nhiệt độ (nhất là các đại lượng ICB0 và SITY UCE), khi nhiệt độ thay đổi thì sẽ làm các tham số của trasistor thay đổi vì IC = αIE + NIVER Icbo nên khi nhiệt độ thay đổi thì điểm làm việc tĩnh sẽ thay đổi ANG U • Để đánh giá độ ổn định nhiệt người ta sử NHATR dụng hệ số ổn định nhiệt: S=  IC /  Icbo=dIC/dIcb0 Phân cực cho transistor bằng dòng IB cố định Dòng IB E C  U BE I B  SITY R B Độ ổn định nhiệt NIVER Từ công thức ANG U IC  I B   1ICB0 Suy ra NHATR I S  C   1 ICB0 Phân cực cho transistor bằng điện áp phản hồi SITY Độ ổn định nhiệt NIVER  1 S  ANG U R 1  C R  R NHATR C B Phân cực bằng phân áp Độ ổn định nhiệt SITY NIVER R 1 B RE ANG U S  ( 1) R (1  )  B NHATR RE Sơ đồ tương đương của Transistor làm việc ở chế độ tín hiệu nhỏ, tần số thấp • Khi 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 h • Coi transistor là một mạng bốn cực tuyến tính, SITY các điện áp và dòng điện vào là u1, i1; điện áp ra và dòng điện ra là u2, i2. Ta có phương trình NIVER tham số hỗn hợp h như sau: ANG U i1 i2 u1  h11i1  h12u2 Mạng 4 cực u NHATR u 2  1 (BJT) i2  h21i1  h22u2 Ý nghĩa các tham số u1 Trở kháng vào khi ngắn mạch đầu ra (u =0) h11  2 i1 u2 0 SITY u 1 Độ khuếch đại điện áp nghịch đảo khi hở h12  NIVER u2 mạch đầu vào (i1=0) i1 0 ANG U i h  2 Hệ số khuếch đại dòng điện khi ngắn mạch 21 i NHATR 1 đầu ra (u =0) u2 0 2 i2 h22  Dẫn nạp đầu ra khi hở mạch đầu vào (i1=0) u2 i1 0 Quy ước ký hiệu • Ký hiệu theo tiêu chuẩn của IEEE (Insitute of Electrical and Electronics Engineers): – i(in)=11: đầu vào o(out)=22: đầu ra – f(forward)=21: thuận r(reverse)=12: ngược SITY • Với transistor có các kiểu mắc B-chung, C- chung, E-chung, nên có các ký hiệu b,c,e ở sau NIVER tham số h để chỉ kiểu mắc đó – Ví dụ: ANG U • hib=h11b: Trở kháng vào theo các mắc B-chung • hfe=h21e: Hệ số khuếch đại thuận dòng điện theo cách mắc E- chung NHATR • Đối với transistor, các tham số hỗn hợp thường được nhà sản xuất cho trước trong datasheet của linh kiện Mạch tương đương hỗn hợp i h 1 11 i2 Mạch h i u 21 1 u SITY tương 1 h12u2 h22 2 đương NIVER hỗn hợp Mạng bốn cực của ANG U transistor u  h i  h u NHATR  1 11 1 12 2  i2  h21i1  h22u2 Sơ đồ tương đương hỗn hợp cách mắc EC i h b ie ic Mạch h i tương u fe b u SITY be h u h ce đương re ce oe NIVER hỗn hợp của Mạng bốn cực ANG U transistor mắc EC u  h i  h u NHATR be ie b re ce  ic  hfeib  hoeuce Sơ đồ tương đương hỗn hợp cách mắc BC i h e ib ic Mạch h i tương u fb e u SITY eb h u h cb đương rb cb ob NIVER hỗn hợp của Mạng bốn cực ANG U transistor mắc BC u  h i  h u NHATR eb ib e rb cb  ic  hfbie  hobucb Sơ đồ tương đương hỗn hợp cách mắc CC i h b ic ie Mạch h i tương u fc b u SITY bc h u h ec đương rc bc oc NIVER hỗn hợp của Mạng bốn cực ANG U transistor mắc CC u  h i  h u NHATR bc ic b rc bc  ie  hfcib  hocuec Sơ đồ tương đương vật lý của transistor • Trong 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 r • Sơ đồ tương đương vật lý có ưu điểm là đơn giản, dễ SITY dàng xác định được tham số trở kháng của transistor NIVER re: Điện trở vi phân ANG U của tiếp giáp EB và αie miền E rb: Điện trở vi phân NHATR của miền B rce: Điện trở vi phân của lớp tiếp giáp CB Sơ đồ tương đương vật lý của transistor • rb: có giá trị rất nhỏ (vài Ω đến vài chục Ω), nên có thể coi là rb ngắn mạch • rce: có giá trị rất lớn (vài trăm kΩ) nên có thể coi là hở mạch SITY • re: là điện trở vi phân của lớp tiếp tiếp giáp EB nên có thể tính gần đúng bằng công thức: re=26mv/IC NIVER ie ic ANG U αie αie ib NHATR Sơ đồ tương đương vật lý Tính trở kháng vào và ra của đơn giản transistor mắc kiểu EC, BC, CC? Ứng dụng của transistor • Khuếch đại – Khi 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 SITY học “Điện tử cơ bản”) NIVER ANG U NHATR Mạch KĐ công suất Mạch KĐ tín hiệu nhỏ Ứng dụng của transistor • Tạo dao động – Khi 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,. SITY NIVER ANG U NHATR Mạch DĐ 3 điểm điện dung Mạch DĐ 3 điểm điện cảm Ứng dụng của transistor • Mạch xung số – Khi 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) SITY NIVER Giải thích nguyên lý hoạt động??? ANG U NHATR Mạch dao động đa hài Ứng dụng của transistor SITY NIVER ANG U Giả sử mức logic 1 ứng với 5V, mức NHATR logic 0 ứng với 0V Hãy viết bảng chân lý của các hàm sau?