Transistor là một linh kiện bán dẫn bao gồm ba lớp bán dẫn với các bán dẫn p và n xen kẽ nhau. Tùy theo trình tự của miền p và miền n mà ta có hai loại transistor : pnp (transistor thuận) và npn (transistor ngược)
Miền p thứ nhất của transistor pnp (với transistor npn là miền n) được gọi là miền emitter, miền này được pha tạp chất với nồng độ lớn nhất, nó đóng vai trò phát xạ các hạt dẫn (lỗ trống hoặc điện tử), điện cực nối với miền này được gọi là cực emitter, ký hiệu là E. Miền n (với transistor npn là miền p) được gọi là miền base, miền này được pha tạp chất ít nhất, độ rộng của nó rất nhỏ so với kích thước toàn bộ transistor, miền base đóng vai trò truyền đạt hạt dẫn, điện cực nối với miển này được gọi là cực base, ký hiệu là B. Miền p tiếp theo (với transistor npn là miền n) được gọi là miền collector, miền này được pha tạp ít hơn miền emitter nhưng nhiều hơn miền base, đóng vai trò thu gom các hạt dẫn, điện cực nối với miền này gọi là cực collector, ký hiệu là C.
Với cấu trúc như vậy, transistor bao gồm hai chuyển tiếp PN, chuyển tiếp PN giữa emitter và base được gọi là chuyển tiếp emitter, chuyển tiếp PN giữa base và collector được gọi là chuyển tiếp collector.
Nguyên tắc hoạt động của transistor
Để mô tả hoạt động của transistor, ta lấy transistor loại pnp làm ví dụ. Sự hoạt động của transistor npn sẽ tương tự bằng việc thay thế lỗ trống bằng điện tử. Trên hình 1.6 khi chuyển tiếp collector không được phân cực, chuyển tiếp emitter được phân cực thuận. Độ rộng vùng nghèo sẽ bị giảm, mức giảm tuỳ theo điện áp phân cực, kết quả dòng của các hạt đa số (các lỗ trống) khuếch tán từ miền bán dẫn p (cực E) sang miền bán dẫn n (cực B).
Khi chuyển tiếp emitter không được phân cực, chuyển tiếp collector phân cực ngược không có dòng của các hat đa số (điện tử ở bán dẫn n) chỉ có dòng của các hạt thiểu số (lỗ trống ở bán dẫn p) (hình 1.7)
Trong trường hợp, chuyển tiếp emitter phân cực thuận, chuyển tiếp collector phân cực ngược (hình 1.8). Chuyển tiếp emitter phân cực thuận nên các hạt đa số khuếch tán qua chuyển tiếp tới miền base tạo nên dòng IE. Tại miền base các hạt đa số này lại chuyển thành các hạt thiểu số, một phần bị tái hợp với các điện tử tạo thành dòng IB.
Do độ rộng của miền base rất mỏng, chuyển tiếp collector phân cực ngược nên các lỗ trống ở miền base bị cuốn sang miền collector tạo nên dòng Ic. Dòng Ic này được tạo bởi hai linh kiện: dòng của các hạt đa số từ miền emitter, và dòng của các hạt thiểu số (lỗ trống ở miền base khi chưa có sự khuếch tán từ emitter sang). Dòng của các hạt thiểu số được gọi là dòng rò và ký hiệu là Ico. Ico có giá trị rất nhỏ cỡ nA tới vài μA.
Áp dụng định luật Kirchhoff ta có: IE = IC + IE
Các cách mắc cơ bản của transistor
Transistor có ba cực (E, B, C), nếu đưa tín hiệu vào trên hai cực và lấy tín hiệu ra trên hai cực thì phải có một cực là cực chung. Do vậy, đối với transistor có 3 cách mắc cơ bản: Base chung, emitter chung, collector chung
Base chung (BC – Common Base)
Sơ đồ cách mắc CB được minh bạna ở trên hình 1.9
Trên hình vẽ chiều mũi tên chỉ chiều của dòng điện trên các cực của transistor. Để thấy rõ quan hệ giữa 3 cực của transistor trong cách mắc CB người ta dùng hai đặc tuyến: đặc tuyến vào và đặc tuyến ra. Đặc tuyến vào (hình 1.10a) mô tả quan hệ giữa dòng vào IE với điện áp đầu vào UBE , ứng với các giá trị điện áp khác nhau của điện áp ra UCB:
Đặc tuyển ra (hình 1.10b) mô tả quan hệ giữa dòng điện ra IC với điện áp ra UCB, ứng với các giá trị khác nhau của dòng điện vào IE. Trên đặc tuyến này được chia thành 3 vùng: vùng tích cực, vùng cắt và vùng bão hoà.
Vùng tích cực được dùng để khuếch đại tín hiệu (nên còn được goi là vùng khuếch đại).
Trong vùng tích cực chuyển tiếp emitter được phân cực thuận, chuyển tiếp collector phân cực ngược. Ở phần thấp nhất của vùng tích cực (đường IE = 0), dòng IC là dòng bão hoà ngược ICO, dòng IC rất nhỏ (cỡ μA) và thường được ký hiệu thay cho ICBO (hình 1.11).
Khi transistor hoạt động trong vùng tích cực có quan hệ gần đúng IE =IC.
Vùng cắt là vùng mà ở đó dòng IC = 0. Trong vùng cắt chuyển tiếp emitter và collect đều phân cực ngược.
Vùng bão hoà là vùng ở bên trái đường UCB = 0 trên đặc tuyến ra. Trong vùng bão hoà chuyển tiếp emitter và collector đều phân cực thuận.
+ Hê số α
Trong chế độ một chiều, để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong miền base, người ta định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện αdc
Với IC, IE là các dòng điện tại điểm làm việc. Theo đặc tuyến ra hình 1.10b thì α = 1, nhưng thực tế α thường trong khoảng 0,9 ~ 0,998.
Trong chế độ xoay chiều, khi điểm làm việc thay đổi trên đặc tuyến ra, hệ số α xoay chiều được định nghĩa:
(1.6)Hệ số αac còn được gọi là hệ số base chung, hệ số chập, hay hệ số khuếch đại. Thông thường αac ≠ αdc
Emitter chung (CE – Common Emitter)
Sơ đồ cách mắc CE được minh bạna ở trên hình 1.12
Trong cách mắc CE, đặc tuyến ra là quan hệ giữa dòng ra IC và điện áp ra UCE, ứng với khoảng giá trị của dòng vào IB. Đặc tuyến vào là quan hệ giữa dòng vào IB và điện áp vào UBE, ứng với khoảng giá trị của điện áp ra UCE.
Chú ý rằng trên hình 1.13, độ lớn của IB cỡ μA , còn độ lớn của IC cỡ mA. Vùng tích cực của cách mắc CE là miền ở bên phải của đường nét đứt UCEbh và phía trên đường IB = 0.
Vùng phía trái đường UCEbh là vùng bão hoà. Vùng cắt là vùng ở phía dưới đường IB = 0. Trong vùng tích cực chuyển tiếp emitter phân cực thuận, chuyển tiếp collector phân cực ngược, vùng này được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hoặc công suất.
Theo đặc tuyến ra hình 1.13b khi IB = 0 thì dòng IC ≠ 0. Điều này được giải thích như sau:
Ta có :
Suy ra:
Khi IB=0, chọn α = 0,996 ta có
IC = 250 ICBO Nếu ICBO = 1μA, khi IB= 0, dòng IC= 250.1μA = 0,25 mA.
Dòng IC khi đó chính là dòng ICEO:
Hệ số βTrong chế độ một chiều, để đánh giá khả năng điều khiển của dòng IB đối với dòng IC, người ta đinh nghĩa hệ số khuếch đại dòng điện β:
Với IC và IB là giá trị dòng điện tại điểm làm việc. Thông thường B có giá trị trong khoảng từ 50 tới trên 400.
Trong chế độ xoay chiều, hệ số β xoay chiều được định nghĩa:
+ Quan hệ giữa α và β
Ta có: IE=IC + IB
Mặt khác : IE=IC/α, IB=IC/β
Kết hợp các điều kiện trên ta có:
Collector chung (CC – Common Collector)
Sơ đồ cách mắc CC được minh bạna ở trên hình 1.14
Nguyên tắc khuếch đại của transistor
Xét sơ đồ CB như hình 1.15.
Theo đặc tuyến vào và đặc tuyến ra của CB ta có thể rút ra nhận xét:
điện trở vào của cách mắc CB rất nhỏ (khoảng 10~100Ω) và điện trở ra rất lớn (50 kΩ ~ 1MΩ).
Trong sơ đó hình 1.15 ta chọn transistor có điện trở vào Rv= 20Ω điện trở ra Rr = 100kΩ.
Dòng điện vào: Iv=Uv/Rv=200mV/20Ω=10mA
Giả sử αac=1 (Ie=Ic) thì Iv = Ir = 10mA
Khi đó điện áp ra sẽ là: Ur = Ir . Rr= 10.10=100V
Vậy hệ số khuếch đai điện áp: Ku=Ur/Uv=100V/200mV=500
Như vậy, nguyên tắc khuếch đại ở đây chính là việc truyền đạt dòng điện từ mạch điện trở thấp sang mạch điện trở cao. Chính vì vậy, transistor là từ ghép từ hai từ tiếng Anh : transfer (truyền đạt) và resistor (điện trở).
Các tham số giới hạn
Đối với mỗi transistor có một vùng làm việc trên đặc tuyến ra. Nếu transistor hoạt động trong vùng này sẽ có tỷ lệ tín hiệu ra trên tín hiệu vào là lớn nhất với độ méo nhỏ nhất. Vùng này sẽ bị giới hạn bởi một vài tham số như : dòng IC lớn nhất ICmax, điện áp UCE lớn nhất UCEmax (đối với cách mắc EC).
Đối với transistor có đặc tuyến ra như hình 1.16: ICmax = 50mA, UCEmax = 20V.
Đường UCEbh trên đặc tuyến là giá trị nhỏ nhất của UCE, thông thường UCEbh = 0,3 V.
Công suất tiêu hao lớn nhất được định nghĩa:
PCmax = UCE.IC
Với transistor cho trên hình 1.16 thì PCmax=30mW.
Ta có thể vẽ đường cong công suất trên đặc tuyến ra bằng cách chọn một vài điểm thoả mãn UCE.IC = 300mW.
Ví dụ, chọn IC= ICmax= 50mA suy ra UCE = 6V. Chọn UCE =UCEmax = 20V, suy ra IC = 15mA. Nếu chọn IC nằm giữa hai khoảng trên, IC = 25mA thì UCE= 12V. Với 3 điểm trên ta có thể vẽ được đường cong công suất (có thể lấy thêm các điểm khác).
Như vậy, vùng hoạt động của transistor bị giới hạn bởi các tham số:
Chú ý: đối với cách mắc CB thì PCmax = UCB. IC
❀◕ ‿ ◕❀
