Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
1/
31
3
Transistor lưỡng cực
(Bipolar Junction
Transistor)
3-1 Giới thiệu
Transistor là một linh kiện rất quan trọng trong điện tử, bao gồm cả các mạch điện tử rời rạc và
các mạch tích hợp. Sự quan trọng của thiết bị này xuất phát từ khả năng của nó trong việc tạo ra các
bộ khuếch đại. Một mạch được xem là mạch khuếch đại khi nó có khả năng sử dụng các thay đổi
nhỏ của dòng hoặc áp ở ngõ vào để tạo ra các thay đổi lớn hơn ở ngõ ra. Tín hiệu nhỏ được xem là
ngõ vào của bộ khuếch đại, tín hiệu lớn nhận được là ngõ ra của bộ khuếch đại.
Hai dạng transistor quan trọng nhất là transistor lưỡng cực tính (Bipolar Junction Transistor –
BJT) và transistor hiệu ứng trường (Field Effect Transistor – FET). BJT sử dụng hai loại hạt dẫn để
tạo ra dòng điện là lỗ trống và electron tự do, do đó nó được gọi là lưỡng cực. Chúng ta sẽ tìm hiểu
BJT trong chương này. Hoạt động của FET sẽ được đề cập ở những chương sau.
BJT là loại transistor được phát triển đầu tiên và kể từ đó nó được sử dụng rộng rãi trong điện
tử. Ngày nay, BJT vẫn còn giữ một vai trò quan trọng trong công nghiệp bán dẫn. Tuy nhiên, kỹ
thuật FET ngày nay đã phát triển rất nhiều và thậm chí nó được sử dụng nhiều hơn cả BJT trong
các mạch tích hợp.
3-2 Lý thuyết hoạt động của BJT
Transistor lưỡng cực tính (BJT) là một linh kiện ba cực được tạo nên từ hai chuyển tiếp PN.
Nó có thể được tạo nên từ một thanh bán dẫn được kích thích sao cho mật độ hạt dẫn thay đổi dần
từ N sang P và trở lại N hoặc từ P chuyển sang N rồi trở lại P. Trong cả hai trường hợp, mỗi chuyển
tiếp sẽ được hình thành tại ranh giới của sự chuyển đổi tính chất bán dẫn từ loại N (hoặc P) sang
loại P (hoặc N). Hình 3-1 cho thấy hai dạng BJT.
Hình 3-1
Cấu trúc transistor NPN và PNP.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
2/
31
Khi BJT được tạo nên bằng cách đặt bán dẫn loại P giữa hai bán dẫn loại N như hình 3-1(a), nó
được gọi là BJT loại NPN. Ngược lại, hình 3-1(b) cho thấy cấu trúc của BJT loại PNP.
Vùng bán dẫn nằm giữa được gọi là miền nền (base). Hai vùng hai bên, một vùng được gọi là
miền phát (emitter) và một vùng được gọi là miền thu (collector). Ở các phần sau ta sẽ dùng cả
thuật ngữ tiếng Việt hoặc tiếng Anh để chỉ các cực và các miền của transistor. Thông thường, trong
các BJT rời, các miền này được gắn với các chân linh kiện nối ra bên ngoài để có thể thực hiện các
kết nối với mạch ngoài. Các BJT trong các mạch tích hợp có thể không có các chân kết nối này.
Các chân linh kiện được đặt theo tên của miền mà nó kết nối vào. Hình 3-2 trình bày các chân linh
kiện được kết nối với các vùng trong BJT.
Trong thực tế, BJT được chế tạo với miền nền rất hẹp và mật độ hạt dẫn trong nó cũng rất thấp
do nó được kích thích với rất ít tạp chất. Cả hai đặc điểm này đều rất quan trọng đối với một
transistor.
Vì cả hai loại BJT này đều có đặc tính giống nhau do đó ta chỉ xem xét trên loại NPN. Các tính
chất cả loại PNP có thể suy ra từ NPN bằng cách thay đổi loại hạt dẫn, cực tính của điện áp cũng
như chiều dòng điện như ta sẽ thấy trong phần sau. Để BJT có thể hoạt động bình thường trong chế
độ khuếch đại, cần phải phân cực cả hai chuyển tiếp của BJT. Chuyển tiếp giữa miền nền và miền
phát
E
j phải phân cực thuận và chuyển tiếp giữa miền nền và miền thu
C
j phải phân cực ngược.
Hình 3-3 trình bày cách thức phân cực cho cả hai chuyển tiếp.
Ta có thể thấy là trong hình 3-3(a), chuyển tiếp
E
j được phân cực thuận bởi nguồn áp
EE
V.
Khi chuyển tiếp này được phân cực thuận, dòng khuếch tán của các electron tự do sẽ được “phát”
đi từ miền phát emitter, bề rộng vùng nghèo thu hẹp. Ta đã biết đến điều này khi xét phân cực của
một chuyển tiếp trong chương 2. Ta nói rằng hạt dẫn được phun (injected) từ emitter vào miền nền
base. Thật ra khi
E
j được phân cực thuận, còn có dòng lỗ trống đi từ base sang emitter, tuy nhiên
Hình 3-2
Các cực base, emitter, collector của transistor NPN và PNP.
Hình 3-3
Phân cực hai chuyển tiếp PN trong transistor NPN.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
3/
31
như ta đã đề cập ở phần trên, vì mật độ hạt dẫn trong miền nền rất thấp nên ta có thể bỏ qua dòng
này so với dòng electron tự do phát đi từ emitter.
Hình 3-3(b) trình bày phân cực ngược chuyển tiếp
C
j được thực hiện bằng nguồn
CC
V. Kết quả
của phân cực ngược là bề rộng vùng nghèo mở rộng, dòng điện chỉ có thể đi từ miền nền base sang
miền thu collector vì là dòng của các hạt dẫn thiểu số. Tuy nhiên, như phân tích ở phần trên, các
electron tự do được phun vào miền nền sẽ trở thành hạt dẫn thiểu số, các electron này sẽ tiếp tục
trôi sang miền thu collector dưới tác dụng của phân cực ngược.
Hình 3-4 cho thấy transistor NPN khi được phân cực đồng thời cả hai chuyển tiếp . Chú ý là
miền nền base được nối đất, tức là điểm có điện thế được qui ước là 0 volts. Miền phát emitter âm
so với miền nền base và miền thu collector dương so với miền nền base. Đây là điều kiện cần thiết
để phân cực thuận
E
j và phân cực ngược
C
j.
Vì miền nền hẹp và mật độ hạt dẫn rất thấp do đó rất ít electron bị tái hợp trong miền này. Các
electron này sẽ khuếch tán sang miền thu dưới tác dụng của phân cực ngược
C
j. Chúng ta kết luận
là dòng electron là dòng chi phối trong transistor NPN. Đối với transistor PNP, dòng lỗ trống sẽ là
dòng chi phối chủ yếu.
Trong thực tế, mặc dù mật độ lỗ trống trong miền nền rất thấp, quá trình tái hợp vẫn có thể xảy
ra. Khi mỗi electron tái hợp với một lỗ trống, một electron sẽ rời miền nền thông qua cực nền B
sinh ra một dòng nền rất nhỏ, giá trị của nó chỉ khoảng
2 %
dòng electron phát đi từ emitter.
Trong hình 3-4, mũi tên được vẽ để chỉ hướng qui ước của dòng trong transistor NPN, hướng
này là ngược với hướng của dòng electron. Dòng qui ước chảy từ
CC
V vào cực C được gọi là dòng
cực thu, hoặc dòng collector
C
I
. Dòng chảy vào cực nền được gọi là dòng nền, hoặc dòng base
B
I
,
và dòng từ
EE
V chảy vào cực phát được gọi là dòng cực phát, hoặc dòng emitter I
E
. Hình 3-5(a)
trình bày biểu tượng mạch của một transistor NPN. Hình 3-6(a) là biểu tượng của transistor PNP.
So sánh hình 3-5 và hình 3-6, chúng ta cần phải để ý chiều của mũi tên tại cực E, để dễ nhớ, ta có
thể xem là mũi tên này chỉ chiều qui ước của dòng điện. Hơn nữa, cực tính của nguồn
CC
V
và
EE
V
là ngược nhau cho BJT loại NPN và PNP.
Hình 3-5
Sơ đồ transistor NPN
tương đương.
Hình 3-4
Transistor NPN khi có các
nguồn phân cực.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
4/
31
Để nhấn mạnh và làm rõ hơn hoạt động của BJT, hình 3-7 thay biểu tượng BJT bằng một khối
và chỉ rõ chiều dòng điện chảy vào và ra khỏi khối. Áp dụng định luật Kirchhoff ta có:
ECB
I
II=+
(3-1)
3-2-1 Dòng ngược
CBO
I
Trong chương 2 ta đã biết là nếu một chuyển tiếp PN bị phân cực ngược thì trong chuyển tiếp
xuất hiện một dòng điện ngược rất nhỏ. Khi điện áp phân cực ngược tăng dần thì dòng ngược này
tiến tới giá trị bão hòa
S
I
. Vì chuyển tiếp
C
j
bị phân cực ngược nên cũng xuất hiện dòng điện
ngược, dòng điện này cùng chiều với dòng collector tạo ra do các hạt dẫn từ miền phát phun vào
miền nền. Do đó, dòng collector tổng cộng sẽ là tổng của dòng do hạt dẫn được phun vào miền nền
và dòng ngược.
Nếu ta giả sử là điện áp phân cực thuận
E
j
được hở mạch và
C
j
vẫn duy trì phân cực ngược
như hình 3-8 thì vẫn có dòng điện qua cực thu, đó chính là dòng ngược. Dòng điện ngược này được
ký hiệu là
CBO
I
do nó có chiều từ collector đến base khi hở mạch (Open) cực phát. Như vậy khi
BJT ở điều kiện hoạt động bình thường ta có:
()
CCBO
CINJ
I
II=+
(3-2)
với
()CINJ
I là thành phần dòng cực thu do các hạt dẫn phun từ miền phát vào miền nền gây ra.
Một thông số quan trọng của transistor là
α
, được định nghĩa bằng tỉ số của dòng collector, do
các hạt dẫn được phun vào miền nền gây ra, so với dòng emitter:
()
CINJ
E
I
I
α
= (3-3)
Hình 3-7
Mỗi loại transistor được thay
bằng một hình vuông để chỉ
dòng vào và ra linh kiện.
Hình 3-6
Sơ đồ transistor PNP
tương đương.
Hình 3-8
CBO
I
là dòng collector
khi emitter hở mạch.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
5/
31
Thông số
α
xác định phần dòng emitter tồn tại sau khi đi qua được miền nền và trở thành
dòng collector. Rõ ràng
α
luôn luôn nhỏ hơn 1. Nói chung, ta luôn muốn
α
càng lớn (càng gần 1)
càng tốt. Điều đó có nghĩa là ta muốn transistor có dòng base càng nhỏ càng tốt để
()
CINJ
I xấp xỉ
E
I
. Giá trị thông thường của
α
nằm trong khoảng 0.95 đến 0.992 .
Từ biểu thức 3-3 ta có
()CINJ E
I
α
=. Do đó:
CECBO
I
II
α
=+
(3-4)
Biểu thức này chứng tỏ là dòng collector tổng cộng bằng một phần của dòng emitter đi qua
được miền nền cộng với dòng do bản thân phân cực ngược trên
C
j
gây ra.
Trong các transistor ngày nay, đặc biệt là đối với silicon,
CBO
I
rất nhỏ nên có thể bỏ qua trong
hầu hết các ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, cần phải nhớ là
CBO
I
thực ra chính là dòng điện ngược của
chuyển tiếp PN. Dòng ngược này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và điện áp phân cực ngược. Vì
chuyển tiếp
C
j
của transistor thường được phân cực ngược với một điện áp khoảng vài volts hoặc
hơn nữa nên giá trị của
CBO
I
thường xấp xỉ dòng ngược bão hòa
S
I
. Khi nhiệt độ tăng
0
10 C
, giá trị
của
S
I
tăng gấp đôi do đó
CBO
I
cũng chịu cùng một ảnh hưởng.
Trong transistor, ngoài dòng ngược
CBO
I
, transistor còn có dòng rò (
leakage current
) chảy
ngoài bề mặt transistor thường có giá trị lớn hơn dòng ngược rất nhiều. Trong các transistor silicon,
dòng rò này gần như chi phối hoàn toàn sự thay đổi theo nhiệt độ của dòng ngược.
Vì
CBO
I
rất nhỏ nên ta có thể viết
C
E
I
I
α
≈
(3-5)
Ví dụ 3-1
Dòng cực phát của một transistor NPN là 8.4 mA . Nếu 0.8 % hạt dẫn bị tái hợp trong miền nền và
dòng rò là
0.1 A
µ
. Tìm (1) dòng base, (2) dòng collector, (3) giá trị chính xác của
α
và (4) giá trị
xấp xỉ của
α
khi bỏ qua dòng rò.
Hướng dẫn
1.
()()()
0.8% 0.008 8.4 mA 67.2 A
BE
II
µ
== =
2. Từ biểu thức 3-1, 8.4 mA 0.0672 mA 8.3328 mA
CEB
III=−= − =
3. Từ biểu thức 3-2,
37
()
8.3328 10 10 8.3327 mA
CINJ C CBO
III
−−
=− = × − =
Dùng 3-3,
()
(
)
()
8.3327 mA 8.4 mA 0.9919881
CINJ E
II
α
== =
4. Dùng biểu thức xấp xỉ 3-5,
(
)
(
)
1.3328 mA 8.4 mA 0.992
CE
II
α
≈= =
3-3 Đặc tính B chung (Common-Base)
Trong phần trước, ta đã thấy một mạch phân cực (hình 3-4) trong đó cực nền được nối với đất,
tức là điểm tham khảo chung của mạch. Cách phân cực này được gọi là cấu hình B chung (CB) của
transistor. Đây chỉ là một trong ba cách có thể để thiết kế phân cực cho transistor theo nguyên tắc
E
j
phân cực thuận và
C
j
phân cực ngược, vì bất kỳ cực nào cũng có thể làm điểm tham khảo
chung.
Ý nghĩa của việc có điểm tham khảo chung trong mạch là điểm này được dùng như điểm tham
khảo cho cả ngõ vào (input) và ngõ ra (output) cho transistor. Trong cấu hình CB, điện áp emitter-