Chương 4: Tranzitor lưỡng cực (BJT)
4.2 Các chế độ làm việc của Tranzitor BJT
4.2.1. Chế độ tích cực (hay chế độ khuếch đại):
+ Nguyên lý hoạt động:
Ở chế độ tích cực ta phải cung cấp nguồn điện một chiều lên các chân cực sao cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận và tiếp xúc góp TC phân cực ngược (xem hình 4-2 a,b,c,d).
Ví dụ: Ta xét nguyên lý làm việc của tranzito loại P-N-P còn đối với tranzito loại N-P-N có thể suy ra dựa vào nguyên lý hoạt động của tranzito loại P-N-P.
Khi tiếp xúc phát phân cực thuận, các hạt dẫn đa số là lỗ trống sẽ khuếch tán từ phần phát sang phần gốc, còn các điện tử từ phần gốc khuếch tán sang phần phát tạo nên dòng điện cực phát IE, ta có:
IE = IEn + IEp (4. 1)
Trong đó: IEn - là thành phần dòng điện điện tử cực phát.
IEp - là thành phần dòng điện lỗ trống cực phát.
Các hạt dẫn này gặp nhau sẽ tái hợp. Để đảm bảo nồng độ các lỗ trống phát ra lớn, người ta chế tạo phần phát có nồng độ tạp chất lớn hơn rất nhiều so với phần gốc. Như vậy ta có:
IEp >> IEn
Ở đây người ta đưa ra tham số gọi là hiệu suất của cực phát, ký hiệu là γ và được tính theo công thức sau:
995 , 0 98 , I 0 I
I I
I
En Ep
Ep E
Ep ≈ ÷
= +
γ = (4. 2)
Tham số
E Ep
I
= I
γ chỉ ra rằng đã có bao nhiêu lỗ trống (hay điện tử) chuyển dời từ cực phát E sang cực gốc B.
Các lỗ trống khuếch tán sang phần gốc, một phần nhỏ tái hợp với các điện tử, còn phần lớn chúng tiếp tục khuếch tán qua phần gốc về phía tiếp xúc góp. Đến tiếp xúc góp, các lỗ
TE TC TE TC
E P N P C N P N
E C B B
EE EC EE EC a/ b/
V0+UCB
V0-UEB
P N P
P N P
ECp
EVp
ECp
EVp
EVp
ECp
V0
V=0
Phát Gốc Góp UCB
UEB
c/ d/
Hình 4 - 2:a và b: Chiều các nguồn điện cung cấp cho các chân cực của tranzito loại P-N-P nvaf N-P-N để nó làm việc ở chế độ tích cực
c và d: Đồ thị dải năng lượng của tranzito loại P-N-P
trống sẽ chuyển động trôi qua lớp tiếp xúc và tạo nên dòng điện cực góp ICp. Đồng thời, qua tiếp xúc góp còn có dòng điện ngược ICBo (còn gọi là dòng điện rò). Nên ta có công thức tính dòng điện cực góp tổng là:
IC = ICp + ICBo (4. 3) .
Để số lỗ trống bị tái hợp ít trong phần gốc, ta chế tạo phần gốc thật mỏng sao cho bề dày của nó WB << LPn - độ dài khuếch tán. Ở đây người ta đưa ra tham số gọi là hệ số chuyển dời dòng điện IE ký hiệu là β*. Tham số này chỉ ra số lỗ trống đến được cực góp mà không bị tái hợp trong phần gốc.
+ Hệ số chuyển dời β* được xác định:
Do đó, trong trường hợp tranzito loại P-N-P ta có:
β* = 0,98 0,995 I
I
Ep
Cp = ÷ (4. 4)
+ Hệ số khuếch đại dòng điện cực phát α hay còn gọi là hệ số truyền đạt dòng điện cực phát và nó được tính theo công thức sau:
γ β
α *
E Ep Ep Cp E Cp
I I I I I
I = =
= (4. 5)
α có giá trị bằng khoảng 0,90 ÷ 0,995.
Dòng điện do hiện tượng tái hợp trong lớp tiếp xúc phát và trong phần gốc trừ đi dòng điện ngược của tiếp xúc góp được gọi là dòng điện cực gốc (IB):
IB = IEp - ICp - ICBo
Quan hệ giữa 3 thành phần dòng điện trong tranzito là:
IC = αIE + ICBo
IB = (1 - α)IE - ICBo (4. 6) IE = IC + IB
4.2.2. Chế độ ngắt:
Ở chế độ này, ta cung cấp nguồn điện sao cho hai tiếp xúc P-N đều được phân cực ngược nên điện trở của tranzito rất lớn và qua nó chỉ có dòng điện ngược rất nhỏ của tiếp xúc góp ICBo. Do dòng điện ngược của tiếp xúc phát IEBo nhỏ hơn nhiều so với ICBo nên mạch cực
β* = Dòng điện do các hạt dẫn trích vào đến được tiếp xúc TC
Dòng điện của các hạt dẫn được trích vào tại tiếp xúc TE
UCE
IE IE IC IC E + - C E C IE IC ICBo IB UEB UCB IB B - +
B Hình 4 - 3: Các dòng điện và điện áp trên các chân cực
của tranzito loại P-N-P.
E coi như hở. Dòng điện trong mạch cực gốc B có giá trị bằng dòng ICBo nhưng ngược dấu (IB =−ICBo). Ta có sơ đồ mạch tương đương dưới đây:
Trong nhiều trường hợp, chế độ ngắt của trazito được sử dụng mà không cần nguồn điện áp giữa cực B và E (EB) như mô tả ở hình 4-5
Như vậy, trong cả hai trường hợp trong hình 4-5, điện áp giữa cực góp và cực phát UCE
sẽ được xác định:
UCE = EC - RC.ICEo ≈ EC
và UCE = EC - RC.ICEs ≈ EC (4 . 7) 4.2.3. Chế độ dẫn bão hòa:
Ở chế độ này ta cung cấp nguồn điện một chiều sao cho hai tiếp xúc P- N đều phân cực thuận (hình 4-6). Điện trở của hai tiếp xúc TE và TC rất nhỏ nên có thể coi như hai cực phát E và cực góp C được nối tắt. Dòng điện qua tranzito IC khá lớn và không phụ thuộc vào hoạt động của tranzito. Như vậy, điện áp giữa cực góp và cực phát luôn xấp xỉ bằng 0 (UCE ≈ 0), còn dòng điện chạy qua tranzito được tính bằng:
C C
CS R
I = E
Sơ đồ mạch tương đương của chế độ bão hòa mô tả trong hình (4-6b). Thực tế thì điện áp UCE bằng khoảng 0,2V÷0,4V.
Như vậy, ở hai chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa, tranzito làm việc như một chuyển UCE
RC EC
EB + - -
+ E
B ICBo C
a/ Sơ đồ mạch điện tranzito trong chế độ ngắt
ICBo C
B
E
b/ Sơ đồ tương đương của tranzito Hình 4 - 4: Sơ đồ mạch điện tranzito trong chế độ ngắt
+ -
Hình 4 - 5: Các sơ đồ tranzito làm việc ở chế độ ngắt UCE
RC
EC
UCE
EC
+ - RC
ICEo ICEo
a/ b/
78
Đặc tuyến truyền đạt của tranzito trong các chế độ làm việc mô tả trong hình 4-7.