Vật liệu và linh kiện điện tử - Chương 5: Cấu tạo và nguyên lý của transistor

*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Chương 5: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦATRANSISTOR*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*I. CẤU TẠO CỦA TRANSISTORTransistor là từ ghép của hai từ Transfer + Resistor được dịch là “điện chuyển”. Transistor là linh kiện bán dẫn gồm ba lớp bán dẫn tiếp giáp nhau tạo thành hai mối nối P-N.Tuỳ theo cách xếp thứ tự các lớp bán dẫn người ta chế tạo hai loại transistor là PNP và NPN.- Cực phát E (Emitter) - Cực nền B (Base)- Cực thu C (Collector)*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* Hình 5.1*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Ba vùng bán dẫn được nối ra ba chân gọi là cực phát E, cực nền B và cực thu C (hình 5.1). Cực phát E và cực thu C tuy cùng chất bán dẫn nhưng do kích thước và nồng độ pha tạp chất khác nhau nên không thể hoán đổi nhau được.Để phân biệt với các loại transistor khác, loại transistor PNP và NPN còn được gọi là transistor lưỡng nối, viết tắt là BJT (Bipolar Junction Transistor).*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*II. NGUYÊN LÝ VẬN CHUYỂN CỦA TRANSISTOR 1. Xét transistor loại NPNa/. Thí nghiệm 1:Hình 5.2a*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Cực E nối vào cực âm, cực C nối vào cực dương của nguồn DC, cực B để hở (hình 5.2a).Trường hợp này electron trong vùng bán dẫn N của cực E và C, do tác dụng của lực tĩnh điện sẽ bị di chuyển theo hướng từ cực E về cực C. Do cực B để hở nên electron từ vùng bán dẫn N của cực E sẽ không thể sang vùng bán dẫn P của cực nền B nên không có hiện tượng tái hợp giữa electron và lỗ trống, do đó không có dòng điện qua transistor.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*b/. Thí nghiệm 2:Giống như mạch thí nghiệm 1 nhưng nối cực B vào một điện áp dương sao cho: VB > VE và VB VC (hình 6.4b)P N P*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Trong trường hợp này hai vùng bán dẫn P và N của cực E và B giống như diod (gọi là diode BE) được phân cực thuận nên dẫn điện, lỗ trống từ vùng bán dẫn P của cực E sẽ sang vùng bán dẫn N của cực B để tái hợp với electron. Khi vùng bán dẫn N của cực B có thêm lỗ trống nên có điện tích dương. *402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Cực B nối vào điện áp âm của nguồn nên sẽ hút một số lỗ trống trong vùng bán dẫn N xuống tạo thành dòng điện IB. Cực C nối vào điện áp âm cao hơn nên hút hầu hết lỗ trống trong vùng bán dẫn N sang vùng bán dẫn P của cực C tạo thành dòng điện IC. Cực E nối vào nguồn điện áp dương nên khi vùng bán dẫn P bị mất lỗ trống sẽ hút lỗ trống từ nguồn dương lên thế chỗ tạo thành dòng điện IE.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Hai mũi tên trong transistor chỉ chiều lỗ trống di chuyển, dòng lỗ trống chạy ngược chiều dòng electron nên dòng lỗ trống có chiều cùng chiều với dòng điện qui ước, dòng điện IB và IC từ trong transistor đi ra, dòng điện IE đi từ ngoài vào transistor.Số lượng lỗ trống bị hút từ cực E đều chạy qua cực B và cực C nên dòng điện IB và IC đều từ cực E chạy qua.Ta có: IE = IB + IC *402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*c/. Trạng thái phân cực cho hai mối nối:Về cấu tạo transistor PNP được xem như hai diod ghép ngược (hình 6.5) transistor PNP sẽ dẫn điện khi được cung cấp điện áp các cực như thí nghiệm 4 (hình 6.4b). Lúc đó, diode BE được phân cực thuận và diode BC được phân cực nghịch.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*III. KÝ HIỆU – HÌNH DÁNG – CÁCH THỬ1. Ký hiệuĐể phân biệt hai loại transistor NPN và PNP người ta dùng ký hiệu mũi tên lên ở cực E để chỉ chiều dòng điện IE (hình 6.6).*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*2. Hình dángHình dáng các loại transistor thông dụng:*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Hình dáng thực tế của một vài transistor*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*3. Cách thửĐể xác định trạng thái tốt hay hư của transistor có thể dùng ohm kế thang đo R100 lần lượt đo các cặp chân BE, BC và CE, mỗi cặp chân đo hai lần bằng cách đổi hai que đo của ohm kế (giống như đo điện trở thuận nghịch của diod).*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Hình 6.8 là trường hợp đo điện trở thuận của các cặp chân của transistor đối với loại NPN và PNP. Muốn đo điện trở ngược thì đổi đầu hai que đo. *402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Lưu ý là trong ohm kế có nguồn điện một chiều thường là pin tiểu 1,5V, đầu dương của pin lại nối ra dây âm và đầu âm của dây pin lại nối ra dây dương.Cặp chânTransistor SiTransistor GeThuậnNgượcThuậnNgượcBEBCCEVài kVài kVô cực Vô cực Vô cực Vô cực Vài trăm Vài trăm Vài chục Vài trăm kVài trăm kVài trăm k*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*IV. ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT1. Đặc tuyến ngõ vào IB/ VBE*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* Lập mạch thí nghiệm như hình 6.9a với nguồn điện áp VBB có thể điều chỉnh được.Hình 6.9a là đặc tuyến chỉ sự quan hệ giữa dòng điện IB theo điện áp VBE.Đặc tuyến IB/ VBE có dạng giống như đặc tuyến của diode, sau khi điện áp VBE tăng đến trị số điện áp thềm V thì bắt đầu có dòng điện IB và dòng điện IB cũng tăng lên theo hàm số mũ như dòng ID của diode.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Ở mỗi điện áp VBE thì dòng điện IB có trị số khác nhau, ví dụ như sau:VBE  0,5V , IB  10AVBE  0,55V , IB  20AVBE  0,6V , IB  30AVBE  0,65V , IB  40AĐặc tuyến trên được vẽ ứng với điện áp VCE = 2V, khi điện áp VCE lớn hơn 2V thì đặc tuyến thay đổi không đáng kể.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*2. Đặc tuyến truyền dẫn IC/ VBEBây giờ cùng với mạch thí nghiệm hình 6.9a nhưng lại xét dòng điện IC theo điện áp VBE.Đặc tuyến IC/ VBE có dạng giống như đặc tuyến IB/ VBE nhưng dòng điện IC có trị số lớn hơn IB nhiều lần.Ở mỗi điện áp VBE thì dòng điện IC có trị số khác nhau ví dụ như sau:*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*VBE  0,5V , IB  10A , IC  1mA VBE  0,55V , IB  20A , IC  2mA VBE  0,6V , IB  30A , IC  3mA VBE  0,65V , IB  40A , IC  4mA Người ta tạo tỉ số: gọi là độ khuếch đại dòng điện của transistor.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Thí dụ: Ở điện áp VBE = 0,55V thì IB = 20A, IC = 2mA.Suy ra:Độ khuếch đại dòng điện  thường có trị số lớn từ vài chục đến vài trăm lần.Trong phần nguyên lý vận chuyển của transistor ta đã có: IE = IB + IC*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Thay hay IC = .IB vào công thức trên ta có: IE = IB +  . IB = ( + 1) IB Do  >> 1 nên trong tính toán gần đúng ta có thể lấy: hay*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*3. Đặc tuyến ngõ ra IC/VCECùng với mạch thí nghiệm hình 6.9a nhưng thay đổi điện áp VCE bằng cách điều chỉnh nguồn VCC.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* Nếu ở cực B không có điện áp phân cực đủ lớn (VB < V) thì dòng điện IB = 0 và IC = 0, do đó, đầu tiên phải tạo điện áp phân cực VBE, để tạo dòng IB, sau đó tăng điện áp VCE, để đo dòng điện IC.Khi tăng VCE từ 0V lên, dòng điện IC tăng nhanh và sau khi đạt trị số IC =  . IB thì gần như IC không thay đổi mặc dù VCE tiếp tục tăng cao. Muốn dòng điện IC tăng cao hơn thì phải tăng phân cực ở cực B để có IB tăng cao hơn, khi đó dòng IC sẽ tăng theo VCE trên đường đặc tuyến cao hơn.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* 4. Các thông số kỹ thuật của transistor a) Độ khuếch đại dòng điện :Độ khuếch đại dòng điện  của transistor thật ra không phải là một hằng số mà  có trị số thay đổi theo dòng điện IC.Hình 6.12 cho thấy khi dòng điện IC nhỏ thì  thấp, dòng điện IC tăng thì  tăng đến giá trị cực đại max nếu tiếp tục tăng IC đến mức bão hòa thì  giảm.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* Trong các sách tra đặc tính kỹ thuật của transistor thường chỉ ghi giá trị max hay ghi  trong một khoảng từ mức thấp nhất đến tối đa. Thí dụ:  = 80 đến 200.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* b) Điện áp giới hạn:Điện áp đánh thủng BV (Breakdown Voltage) là điện áp ngược tối đa đặt vào giữa các cặp cực, nếu quá điện áp này thì transistor sẽ bị hư. Có ba điện áp giới hạn:- BVCEO : điện áp đánh thủng giữa C và E khi cực B hở.- BVCBO : điện áp đánh thủng giữa C và B khi cực E hở.- BVEBO : điện áp đánh thủng giữa E và B khi cực C hở.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* c) Dòng điện giới hạn:Dòng điện qua transistor phải được giới hạn ở một mức cho phép, nếu quá trị số này thì transistor sẽ bị hư.Ta có: ICmax là dòng điện tối đa ở cực C IBmax là dòng điện tối đa ở cực B.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* d) Công suất giới hạn:Khi có 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.VCEMỗi transistor đều có một công suất giới hạn được gọi là công suất tiêu tán tối đa PDmax (Dissolution). Nếu công suất sinh ra trên transistor lớn hơn công suất PDmax thì transistor sẽ bị hư.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* e) Tần số cắt (thiết đoạn):Tần số thiết đoạn (f cut-off) là tần số mà transistor có độ khuếch đại công suất là 1.Thí dụ: Transistor 2SC458 có các thông số kỹ thuật như sau: = 200, BVCEO = 30V, BVCBO = 30V, BVEBO = 6V, PDmax = 200mW.fcut-off = 230MHz, ICmax = 100mA, loại NPN chất Si.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* 5. Xét transistor PNP*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Trong phần 6.2 nói về nguyên lý vận chuyển của transistor, ta đã biết transistor PNP được phân cực với các điện áp ngược đối với transistor NPN, đồng thời các loại transistor NPN thông thường làm bằng chất Si trong khi transistor PNP thông thường làm bằng chất Ge.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Mạch điện hình 6.13 là mạch thí nghiệm đặc tính kỹ thuật của transistor PNP với các nguồn điện áp âm phân cực cho cực B và cực C.Transistor PNP cũng có các đặc tuyến ngõ vào đặc tuyến truyền dẫn, đặc tuyến ngõ ra và các thông số kỹ thuật tương tự như transistor NPN nhưng các giá trị điện áp và dòng điện đều là trị số âm.