Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Bài 4 - Lưu Đức Trung

Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Bài 4 - Lưu Đức Trung cung cấp cho học viên các kiến thức về transistor lưỡng cực; cấu trúc vật lý; mô hình truyền dẫn cho npn-pnp; các vùng hoạt động; đặc tuyến truyền đạt i-v; đơn giản hóa mô hình truyền đạt; hiệu ứng và điện áp Early; phân cực thực tế;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Bài 4 - Lưu Đức Trung BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC  4.1 Cấu trúc vật lý 4.2 Mô hình truyền dẫn cho npn­pnp 4.3 Các vùng hoạt động 4.4 Đặc tuyến truyền đạt i­v 4.5 Đơn giản hóa mô hình truyền đạt 4.6 Hiệu ứng và điện áp Early 4.7 Phân cực thực tế  BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (Là chương 5 trong giáo trình) 4.1 Cấu trúc vật lý Cấu   trúc   vật   lý   của   tranzitor   lưỡng   cực   BJT   (Bipolar  Junction Transistor) bao gồm ba lớp bán dẫn loại n và loại p  xen kẽ nhau. Các lớp này  ứng với các cực E (Emitter ­ cực phát), cực B  (Base­ cực gốc) và cực C (Collector ­ cực góp). Có 2 loại tranzitor lưỡng cực: npn và pnp. Cách hoạt động của thiết bị có thể xem trên mặt cắt ngang  đơn giản của tranzitor npn ở hình 4.1.1. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 2 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC a) Hình 4.1.1 Mặt cắt ngang của một transistor npn với các dòng  trong quá trình hoạt động bình thường Transistor = transfer resistor BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 3 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Trong quá trình hoạt động bình thường, phần lớn dòng sẽ đi  vào cực C, đi qua vùng Base và đi ra  ở  cực E.  Một lượng   dòng nhỏ hơn đi vào từ cực B, đi qua tiếp giáp base­emitter  của tranzitor và đi ra khỏi cực E. Phần quan trọng nhất của   tranzitor lưỡng cực là vùng gốc tích cực (vùng base) nằm  giữa hai đường nét đứt nằm bên dưới vùng emitter (n+).  Lượng truyền dẫn tại vùng này ảnh hưởng tới đặc tuyến i­ υ của BJT. Hình 4.1.2 minh hoạ  cho cấu trúc vật lý phức tạp hơn đã  được sử  dụng để  làm ra một tranzitor npn dạng mạch tổ  hợp. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 4 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC b)  Hình 4.1.2 Hình ảnh ba chiều của một mạch tổ hợp tranzitor  tiếp giáp lưỡng cực npn BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 5 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Phần lớn cấu trúc trên hình 4.1.2 được sử dụng để chế tạo  các miền tiếp xúc ngoài  với   các vùng collector, base và  emitter và để tách các tranzitor lưỡng cực. Trong cấu trúc npn đó, dòng collector iC  và dòng base iB  đi  vào từ cực C và cực B của tranzitor, và dòng emitter iE đi ra  từ cực E. 4.2 Mô hình truyền dẫn cho npn và pnp 4.2.1 Transistor npn Hình 4.2.1 là mô hình vùng hoạt động của tranzitor tiếp giáp  lưỡng cực npn. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 6 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Hình 4.2.1 (a) Cấu trúc của tranzitor npn lý tưởng hoá trong  trường hợp phân cực chung (b) Kí hiệu của tranzitor  npn BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 7 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BJT có hai lớp tiếp giáp pn nối đấu lưng với nhau. Tuy nhiên, vùng trung tâm base rất mỏng (0.1 ­ 100   m),  khoảng cách quá gần của hai lớp tiếp giáp dẫn tới sự  kết  nối giữa hai điốt. Sự kết nối này là cốt lõi của các thiết bị lưỡng cực. Vùng bán dẫn loại n thấp hơn (emitter) đưa các electron đi  vào vùng base (loại p). Trong các tranzitor silic hiện đại, phần lớn các electron này  sẽ đi qua vùng base và được thu nhận bởi vùng bán dẫn loại  n cao hơn (collector). BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 8 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Điện áp base­emitter (B­E) υBE và điện áp base­collector (B­ C) υBC gắn vào hai tiếp giáp pn trên hình 4.2.1 sẽ  xác định  các   dòng   của   tranzitor   lưỡng   cực,   và   được   quy   ước   là  dương khi chúng dịch chuyển về  phía tiếp giáp pn tương  ứng. Ba dòng điện cực là dòng collector iC, dòng emitter iE, và  dòng base iB. Các mũi tên chỉ hướng của dòng dương trong các mạch npn. Kí hiệu của tranzitor npn có trên hình 4.2.1 (b), trong đó mũi  tên xác định cực E và cho biết dòng đi ra khỏi cực E của   tranzitor npn. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 9 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Các đặc tính thuận Hình 4.2.2 Tranzitor npn nối với điện áp υ BE còn υ BC =0 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 10 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Trên hình 4.2.2, chỉ  có điện áp υBE được gắn vào tiếp giáp  B­E, còn điện áp gắn vào tiếp giáp B­C bằng 0. Điện áp B­E xác lập dòng iE, bằng tổng các dòng đi qua tiếp  giáp B­E: bao gồm hai thành phần. Phần   lớn   hơn   là   dòng   truyền   dẫn   thuận   iF,   đi   vào   cực  collector, đi qua hoàn toàn vùng base rất hẹp, và đi ra ở cực  E. Dòng collector iC  bằng với dòng iF, có dạng của một dòng  điốt lý tưởng: iC = iF = IS  exp BE 1    (4.2.1) VT BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 11 BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Tham số IS là dòng bão hoà của tranzitor lưỡng cực. IS tỷ lệ với diện tích mặt cắt ngang của vùng hoạt động cơ  sở  của tranzitor, và có  thể  có  giá trị  nằm trong một dải  rộng: 10­18 A   IS   10­9 A VT là điện áp nhiệt, VT = kT/q = 0.025 V tại nhiệt độ phòng. Ta thấy iF  phải nhỏ  hơn t ...