›
›

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

ppt 43 trang ngocly 3210
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Vật liệu và linh kiện điện tử - Chương 5: Cấu tạo và nguyên lý của Transistor", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_vat_lieu_va_linh_kien_dien_tu_chuong_5_cau_tao_va.ppt

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu và linh kiện điện tử - Chương 5: Cấu tạo và nguyên lý của Transistor

  1. Chương 5: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA TRANSISTOR 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 1
  2. I. CẤU TẠO CỦA TRANSISTOR • Transistor 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) 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 2
  3. P N P N P N E C E C B B Cấu tạo của transistor NPN - PNP Hình 5.1 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 3
  4. • 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 khơng thể hốn đổi nhau được. • Để phân biệt với các loại transistor khác, loại transistor PNP và NPN cịn được gọi là transistor lưỡng nối, viết tắt là BJT (Bipolar Junction Transistor). 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 4
  5. II. NGUYÊN LÝ VẬN CHUYỂN CỦA TRANSISTOR • 1. Xét transistor loại NPN • a/. Thí nghiệm 1: N P N E • • • • • • C • • • •• • • • •• • • •• • • B - + - + Hình 5.2a 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 5
  6. • 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 khơng thể sang vùng bán dẫn P của cực nền B nên khơng cĩ hiện tượng tái hợp giữa electron và lỗ trống, do đĩ khơng cĩ dịng điện qua transistor. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 6
  7. • 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 5.2b) N P N E C • I B E • • IC IB - + - + Hình 5.2b 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 7
  8. • Trường hợp này hai vùng bán dẫn P và N của cực B và E giống như một diod (gọi là diod BE) được phân cực thuận nên dẫn điện, electron từ vùng bán dẫn N của cực E sẽ sang vùng bán dẫn P của cực B để tái hợp với lỗ trống. • Khi đĩ vùng bán dẫn P của cực B nhận thêm electron nên cĩ điện tích âm. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 8
  9. • Cực B nối vào điện áp dương của nguồn nên sẽ hút một số electron trong vùng bán dẫn P xuống tạo thành dịng điện IB. • Cực C nối vào điện áp dương cao hơn nên hút hầu hết electron trong vùng bán dẫn P sang vùng bán dẫn N của cực C tạo thành dịng điện IC. • Cực E nối vào nguồn điện áp âm nên khi bán dẫn N bị mất electron sẽ bị hút electron từ nguồn âm lên thế chỗ tạo thành dịng điện IE. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 9
  10. • Hình mũi tên trong transistor chỉ chiều dịng electron di chuyển, dịng điện qui ước chạy ngược dịng electron nên dịng điện IB và IC đi từ ngồi vào transistor, dịng điện IE đi từ trong transistor ra. • Số lượng electron bị hút từ cực E đều chạy sang cực B và cực C nên dịng điện IB và IC đều chạy sang cực E. • Ta cĩ: I E = I B + I C 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 10
  11. • c/. Trạng thái phân cực cho hai mối nối: • Về cấu tạo transistor NPN được xem như hai diod ghép ngược (hình 6.3). • Transistor sẽ dẫn điện khi được cung cấp điện áp các cực như thí nghiệm 2 (hình 5.2b). • Lúc đĩ, diode BE được phân cực thuận và diode BC được phân cực nghịch. - + + - Hình 6.3 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 11
  12. • 2. Xét transistor loại PNP • a/. Thí nghiệm 3: + - + - Hình 6.4a 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 12
  13. • Đối với transistor PNP thì điện áp nối vào các chân ngược lại với transistor NPN. • Hạt tải di chuyển trong transistor NPN là electron xuất phát từ cực E trong khi đối với transistor PNP thì hạt tải di chuyển là lỗ trống xuất phát từ E. • Theo hình 6.4a, transistor PNP cĩ cực E nối vào cực dương, cực C nối vào cực âm của nguồn DC, cực B để hở. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 13
  14. • Trường hợp này lỗ trống trong vùng bán dẫn P 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 lỗ trống từ vùng bán dẫn P của cực E sẽ khơng thể sang vùng bán dẫn N của cực B nên khơng cĩ hiện tượng tái hợp giữa lỗ trống và electron, do đĩ khơng cĩ dịng điện qua transistor. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 14
  15. • b/. Thí nghiệm 4: • Mạch thí nghiệm giống thí nghiệm 3 nhưng nối cực B vào một điện áp âm sao cho: • VB VC (hình 6.4b) P N P 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 15
  16. • 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 cĩ thêm lỗ trống nên cĩ điện tích dương. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 16
  17. • Cực B nối vào điện áp âm của nguồn nên sẽ hút một số lỗ trống trong vùng bán dẫn N xuống tạo thành dịng 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 dịng 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 dịng điện IE. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 17
  18. • Hai mũi tên trong transistor chỉ chiều lỗ trống di chuyển, dịng lỗ trống chạy ngược chiều dịng electron nên dịng lỗ trống cĩ chiều cùng chiều với dịng điện qui ước, dịng điện IB và IC từ trong transistor đi ra, dịng điện IE đi từ ngồi vào transistor. • Số lượng lỗ trống bị hút từ cực E đều chạy qua cực B và cực C nên dịng điện IB và IC đều từ cực E chạy qua. • Ta cĩ: IE = IB + IC 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 18
  19. • 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 đĩ, diode BE được phân cực thuận và diode BC được phân cực nghịch. P N P E + - + - C phân cực phân cực thuận B nghịch Hình 6.5 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 19
  20. III. KÝ HIỆU – HÌNH DÁNG – CÁCH THỬ • 1. Ký hiệu • Để phân biệt hai loại transistor NPN và PNP người ta dùng ký hiệu mũi tên lên ở cực E để chỉ chiều dịng điện IE (hình 6.6). C C IC I B B C NPN PNP I I B IE B IE E E Hình 6.6 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 20
  21. • 2. Hình dáng • Hình dáng các loại transistor thơng dụng: E tên tên tên tên B vỏ là cực C E B C E B C E C B B C E Nhật Mỹ Âu châu Transistor công suất nhỏ Transistor công suất trung Transistor công suất lớn (con sò) Hình 6.7 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 21
  22. •Hình dáng thực tế của một vài transistor 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 22
  23. • 3. Cách thử • Để xác định trạng thái tốt hay hư của transistor cĩ 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). 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 23
  24. • 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. N P + + đo BC - đo BC - + - - - P NPN + N PNP + - - đo CE đo CE + - + đo BE - đo BE + + N P Hình 6.8 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 24
  25. • Lưu ý là trong ohm kế cĩ 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. Transistor Si Transistor Ge Cặp chân Thuận Ngược Thuận Ngược BE Vài k Vơ cực  Vài trăm  Vài trăm k BC Vài k Vơ cực  Vài trăm  Vài trăm k CE Vơ cực  Vơ cực  Vài chục  Vài trăm k 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 25
  26. IV. ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT • 1. Đặc tuyến ngõ vào IB/ VBE IB (A) 40 IC 30 RC R B 20 VCE + VCC 10 IB _ + VBE VBB _ VBE(V) 0V V 0,5 0,55 0,6 0,65 Hình 6.9a Hình 6.9b 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 26
  27. • Lập mạch thí nghiệm như hình 6.9a với nguồn điện áp VBB cĩ thể điều chỉnh được. • Hình 6.9a là đặc tuyến chỉ sự quan hệ giữa dịng điện IB theo điện áp VBE. • Đặc tuyến IB/ VBE cĩ dạng giống như đặc tuyến của diode, sau khi điện áp VBE tăng đến trị số điện áp thềm V thì bắt đầu cĩ dịng điện IB và dịng điện IB cũng tăng lên theo hàm số mũ như dịng ID của diode. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 27
  28. • Ở mỗi điện áp VBE thì dịng điện IB cĩ trị số khác nhau, ví dụ như sau: • VBE  0,5V , IB  10A • VBE  0,55V , IB  20A • VBE  0,6V , IB  30A • VBE  0,65V , IB  40A • Đặc tuyến trên được vẽ ứng với điện áp VCE = 2V, khi điện áp VCE lớn hơn 2V thì đặc tuyến thay đổi khơng đáng kể. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 28
  29. • 2. Đặc tuyến truyền dẫn IC/ VBE • Bây giờ cùng với mạch thí nghiệm hình 6.9a nhưng lại xét dịng điện IC theo điện áp VBE. • Đặc tuyến IC/ VBE cĩ dạng giống như đặc tuyến IB/ VBE nhưng dịng điện IC cĩ trị số lớn hơn IB nhiều lần. • Ở mỗi điện áp VBE thì dịng điện IC cĩ trị số khác nhau ví dụ như sau: 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 29
  30. 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: IC(mA) I C =  4 I B 3 2 gọi là độ khuếch đại 1 dịng điện của transistor. VBE(V) 0V V 0,5 0,55 0,6 0,65 Hình 6.10 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 30
  31. • Thí dụ: Ở điện áp VBE = 0,55V thì IB = 20A, IC = 2mA. I 2mA • Suy ra:  = C = = 100 IB 20A • Độ khuếch đại dịng điện  thường cĩ trị số lớn từ vài chục đến vài trăm lần. • Trong phần nguyên lý vận chuyển của transistor ta đã cĩ: • IE = IB + IC 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 31
  32. I • Thay C =  hay I = .I vào cơng thức I C B trên ta cĩ: B • IE = IB +  . IB = ( + 1) IB • Do  >> 1 nên trong tính tốn gần đúng ta cĩ thể lấy: • I E   . I B hay I E  I C 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 32
  33. • 3. Đặc tuyến ngõ ra IC/VCE • Cùng với mạch thí nghiệm hình 6.9a nhưng thay đổi điện áp VCE bằng cách điều chỉnh nguồn VCC. IC(mA) 5 50A 4 40A 3 30A 2 20A 1 IB = 10A VCE(V) 0V Hình 6.11 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 33
  34. • Nếu ở cực B khơng cĩ điện áp phân cực đủ lớn (VB < V) thì dịng điện IB = 0 và IC = 0, do đĩ, đầu tiên phải tạo điện áp phân cực VBE, để tạo dịng IB, sau đĩ tăng điện áp VCE, để đo dịng điện IC. • Khi tăng VCE từ 0V lên, dịng điện IC tăng nhanh và sau khi đạt trị số IC =  . IB thì gần như IC khơng thay đổi mặc dù VCE tiếp tục tăng cao. • Muốn dịng điện IC tăng cao hơn thì phải tăng phân cực ở cực B để cĩ IB tăng cao hơn, khi đĩ dịng IC sẽ tăng theo VCE trên đường đặc tuyến cao hơn. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 34
  35. • 4. Các thơng số kỹ thuật của transistor • a) Độ khuếch đại dịng điện : • Độ khuếch đại dịng điện  của transistor thật ra khơng phải là một hằng số mà  cĩ trị số thay đổi theo dịng điện IC. • Hình 6.12 cho thấy khi dịng điện IC nhỏ thì  thấp, dịng điện IC tăng thì  tăng đến giá trị cực đại max nếu tiếp tục tăng IC đến mức bão hịa thì  giảm. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 35
  36. • 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.  max IC Hình 6.12 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 36
  37. • 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. Cĩ 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. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 37
  38. • c) Dịng điện giới hạn: • Dịng điện qua transistor phải được giới hạn ở một mức cho phép, nếu quá trị số này thì transistor sẽ bị hư. • Ta cĩ: ICmax là dịng điện tối đa ở cực C • IBmax là dịng điện tối đa ở cực B. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 38
  39. • d) Cơng suất giới hạn: • Khi cĩ dịng điện qua transistor sẽ sinh ra một cơng suất nhiệt làm nĩng transistor, cơng suất sinh ra được tính theo cơng thức: • PT = IC.VCE • Mỗi transistor đều cĩ một cơng suất giới hạn được gọi là cơng suất tiêu tán tối đa PDmax (Dissolution). • Nếu cơng suất sinh ra trên transistor lớn hơn cơng suất PDmax thì transistor sẽ bị hư. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 39
  40. • e) Tần số cắt (thiết đoạn): • Tần số thiết đoạn (f cut-off) là tần số mà transistor cĩ độ khuếch đại cơng suất là 1. • Thí dụ: Transistor 2SC458 cĩ các thơng số kỹ thuật như sau: •  = 200, BVCEO = 30V, BVCBO = 30V, BVEBO = 6V, PDmax = 200mW. • fcut-off = 230MHz, ICmax = 100mA, loại NPN chất Si. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 40
  41. • 5. Xét transistor PNP IC RC RB PNP _ -VCC _ IB + -VBB + Hình 6.13 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 41
  42. • Trong phần 6.2 nĩi 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 thơng thường làm bằng chất Si trong khi transistor PNP thơng thường làm bằng chất Ge. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 42
  43. • 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 cĩ các đặc tuyến ngõ vào đặc tuyến truyền dẫn, đặc tuyến ngõ ra và các thơng số kỹ thuật tương tự như transistor NPN nhưng các giá trị điện áp và dịng điện đều là trị số âm. 21/05/2021 402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử 43