Tìm hiểu Transistor lưỡng cực bipolar junction transistor

Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 1 Transistor lưỡng cực Bipolar Junction Transistor Nguyễn Quốc Cường Bộ môn 3I – ĐHBK HN Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 2 Giới thiệu • BJT được phát minh vào năm 1948 tại Bell Telephone Lab • MOSFET được biết đến trước BJT tuy nhiên chỉ được sử dụng nhiều trong công nghệ chế tạo IC từ năm 1980s • BJT ngày nay được sử dụng – chế tại linh kiện rời công suất lớn – chế tạo IC hoạt động ở tần số cao • Các ứng dụng – các thiết bị điện tử trong automotive – các thiết bị truyền tin không dây Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 3 Cấu trúc đơn giản của BJT kiểu npn Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 4 Cấu trúc đơn giản của BJT kiểu pnp Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 5 • BJT là thiết bị 3 cực – Emitter (E) – Base (B) – Collector (C) • BJT có 2 tiếp giáp pn – Tiếp giáp emitter-base (EBJ) – Tiếp giáp collector-base (CBJ) • Tùy thuộc vào các chế độ phân cực khác nhau cho 2 tiếp giáp này BJT có các chế độ hoạt động khác nhau Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 6 Chế độ hoạt động của BJT Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 7 Chế độ tích cực Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 8 dòng điện • EBJ phân cực thuận: – điện tử khuếch tán từ E Æ B – lỗ trống khuếch tán từ B Æ E – tại B, một số ít e sẽ tái hợp với một số lỗ trống, còn phần lớn sẽ di chuyển đến gần tiếp giáp CBJ • CBJ phân cực ngược – các e trong vùng B sẽ được đẩy qua CBJ do tác dụng của điện trường – một số ít lỗ trống từ C sẽ được đẩy qua CBJ vào vùng B Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 9 • Nếu nhìn từ các cực E,B,C ta có 3 dòng điện tương ứng là iE, iB và iC – β: hệ số khuếch đại dòng emitter chung – α: hế số khuếch đại dòng base chung – Thường các hệ số β được chế tạo lớn (~ α gần 1) C B E B C B C E i i i i i (1 )i 1 i i β β βα β α = = + = + = + = Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 10 Mô hình Ebers-Moll (EM) Mô hình EM của npn Mô hình EM cho phép xác định tất cả các chế độ hoạt động của BJT. Biểu thức Ebers-Moll SE exp 1 exp 1 α α α α = − = − + ⎡ ⎤⎛ ⎞= −⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎡ ⎤⎛ ⎞= −⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎣ ⎦ = E DE R DC C DC F DE BE DE T BC DC SC T F SE R SC i i i i i i Vi i V Vi i V i i Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 11 Transistor pnp • Hoạt động của pnp tương tự như npn, chỉ có điểm khác biệt là dòng điện chủ yếu được tạo lên bởi các lỗ trống từ E đến B Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 12 Ký hiệu Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 13 Đặc tính dòng điện – điện áp • Họ đường cong đặc tính I-V – iC-vCB với iE = const – iC-vCE với iB = const Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 14 Đặc tính iC-vCB Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 15 • Để đo đặc tính iC-vCB: Với mỗi giá trị iE thay đổi vCB để đo được dòng iC • Trong vùng tích cực thuận – Dòng iC tăng ít khi vCB tăng, mặc dù iE giữ cố định Æ hiệu ứng Early – Ứng với vCB lớn, dòng iC tăng rất nhanh Æ hiện tượng breakdown – Hệ số alpha : có 2 kiểu định nghĩa (thực tế 2 hệ số này sai khác không nhiều) C E i i α ≡ được gọi là hệ số α tổng hay hệ số α tín hiệu lớn CB C E v const i i α = ∆≡ ∆ được gọi là hệ số tín hiệu nhỏ Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 16 • Trong vùng bão hòa – Điện áp vCB < -0.4 V – Thường chênh áp vBE = 0.7V Æ vCE bão hòa = 0.1V đến 0.3V Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 17 Hiệu ứng Early • Trong vùng tích cực thuận – Lý tưởng: iC = αiE Æ đặc tính iC-vCB là đường nằm ngang – Thực tế: khi vCB tăng Æ iC tăng Æ hiệu ứng Early • Mắc mạch emitter chung (như hình vẽ), ứng với mỗi vBE thay đổi vCE ta thu được các giá trị iC khác nhau – Theo mô hinhf Ebers-Moll khi vBE = const thì iC phụ thuộc rất ít vào vCE (do vBC < 0) – Thực tế iC có thể phụ thuộc nhiều vào vCE (hay vBC) – Nếu kéo dài các đương iC-vCE trong vùng tích cực thuận sẽ gặp nhau tại điểm VA gọi là điện áp Early (cỡ 50V đến 100V) Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 18 Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 19 Đặc tính iC-vCE Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 20 Miền tích cực C F dc B i i β β≡ ≡ Hệ số khuếch đại dòng dc β = ∆= ∆ CE C ac B v const i i • Hệ số khuếch đại dòng dc và ac trong thực tế thường sai khác từ 10% đến 20% • Hệ số βdc phụ thuộc vào điểm làm việc • Trong phân tích gần đúng thường giả thiết hệ số βdc là không đổi Hệ số khuếch đại dòng ac Transistor lưỡng cực Nguyễn Quốc Cường 21 Miền bão hòa • Xem xét điểm X trong miền bão hòa β<Csat F Bi i β β β ≡ < Csat forced B forced F i i