Chuyên đề Nguyên tắc hoạt động và khả năng khuếch đại của Transistor

Trường THPT Tôn Đức Thắng

       Tổ: Vật lý – Kỹ thuật

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ KHẢ NĂNG KHUẾCH ĐẠI CỦA TRANSISTOR

Transistor là loại linh kiện bán dẫn ba cực. Nó có khả năng khuếch đại tín hiệu hoặc hoạt động như một khoá đóng mở, rất thông dụng trong ngành điện tử. Nó sử dụng cả hai loại hạt dẫn: điện tử và lỗ trống.

Nhắc lại cấu tạo của transistor hai cực tính (Bipolar Junction Transistor – gọi tắt là BJT).

BJT được cấu tạo bởi ba lớp bán dẫn tiếp xúc nhau tạo nên, trong đó lớp ở giữa có bề dày rất bé (cỡ 10^-3 mm) và khác kiểu dẫn điện với hai lớp bên cạnh.

Nồng độ tạp chất của ba lớp bán dẫn cũng không giống nhau. Lớp có nồng độ tạp chất cao nhất (nghĩa là nồng độ hạt dẫn đa số của nó lớn nhất_kí hiệu là N⁺ hoặc P⁺) gọi là miền phát (hay miền emitter-viết tắt E); lớp đối diện có nồng độ thấp hơn (kí hiệu là N hoặc P) gọi là miền thu (hay miền collector-viết tắt C); lớp giữa có nồng độ tạp chất rất thấp (khác kiểu dẫn điện với hai lớp kia) gọi là miền nền (hay miền base-viết tắt B).

Chuyển tiếp giữa mối ghép B-E gọi là J_E, chuyển tiếp giữa mối ghép B-C gọi là J_C. hoạt động của BJT chủ yếu dựa vào hai chuyển tiếp này.

Các lớp bán dẫn được đặt trong một vỏ kín (bằng nhựa hoặc kim loại) chỉ có ba điện cực thò ra ngoài. Kí hiệu quy ước của hai loại transistor NPN và PNP như hình. Mũi tên trên cực E chỉ chiều dòng điện chạy qua nó.

Hãy xét nguyên tắc hoạt động của transistor loại NPN làm ví dụ (loại PNP cũng tương tự).

Điều kiện cần thiết để transistor hoạt động là J_E phải được phân cực thuận. Ta xét sơ đồ mạch điện như hình bên:

Nguồn E₁ có sđd một vài volt để phân cực thuận cho J_E.

Nguồn E₂ thường từ 5 → 20 (V) dùng phân cực nghịch cho Jc.

R_E và R_C là các điện trở phân cực.

Khi chưa có nguồn E₁ và E₂, trong mỗi vùng nghèo J_E và J_C sẽ tồn tại một điện trường tiếp xúc (hướng từ N sang P) duy trì trạng thái cân bằng của chuyển tiếp, khiến cho dòng điện tổng hợp qua mỗi chuyển tiếp bằng không.

Khi có nguồn E₂, chuyển tiếp J_C bị phân cực nghịch nên điện trường tiếp xúc trong vùng nghèo này tăng à sẽ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua vùng nghèo này. Ta gọi đó là dòng điện ngược collector (ký hiệu là I_CBO).

Nếu có thêm nguồn E₁ thì J_E sẽ phân cực thuận à điện trường tiếp xúc vùng này nhỏ lại và điện tử từ miền N⁺  tràn qua miền P, lỗ trống từ miền P tràn sang miền N⁺. Sau đó, các điện tử không cân bằng này tiếp tục khuếch tán qua miền Base tới vùng nghèo J_C. Khi tới vùng J_C, các điện tử này lập tức bì điện trường của E₂ hút về phía collector tạo nên dòng điện qua cực C (I_C).

Gọi I_E là dòng điện chạy qua cực Emitter (tương ứng với chuyển động của các điện tử từ miền N⁺ sang miền P). Khi đó dòng điện tạo nên bởi số điện tử chạy tới collector vừa nói ở trên sẽ là aI_E. Trong đó, a là tỷ số giữa số lượng điện tử tới được collector (không bị hao hụt dọc đường đi vì bị tái hợp) với tổng số điện tử phát đi từ emitter. (a còn gọi là hệ số truyền đạt).

Như vậy, dòng I_C = aI_E + I_CBO.  (1)

Trong miền base, một số lỗ trống phun sang miền N⁺ và tái hợp với điện tử gây nên sự thiếu hụt điện tích dương. Để bù lại, các điện tích dương sẽ từ nguồn E₁ chạy vào miền base thông qua cực B à tạo nên dòng I_B. Theo định luật điểm nút: I_E = I_B + I_C. (2)

(trị số I_B thường rất nhỏ so với I_C và I_E).

Qua hoạt động của BJT ở trên, ta thấy: nếu I_E biến đổi thì dòng I_C cũng biến đổi theo. Bây giờ, nếu có thêm nguồn tín hiệu xoay chiều e_s (biên độ rất nhỏ) thông qua tụ C₁ đặt vào cực E và cực B như hình. Nghĩa là, e_s đã xếp chồng lên điện áp phân cức vốn có của J_E à mức độ phân cực của J_E sẽ thay đổi một cách tuần hoàn theo chu kỳ của tín hiệu e_s. Do đó, dòng điện tử từ cực E tới cực C sẽ tăng giảm theo qui luật của e_s. Nghĩa là, dòng I_C đã thay đổi theo e_s. Dòng này tạo ra trên R_C một điện áp biến thiên theo quy luật của e_s, nhưng biên độ lớn hơn e_s rất nhiều (nhờ R_C khá lớn). Ta nói rằng transistor đã khuếch đại tín hiệu. Nếu giá trị R_C càng lớn thì tín hiệu được khuếch đại càng nhiều. Nên điện trở R_C còn được gọi là điện trở tải.

Tụ C₁ và C₂ trong mạch có tác dụng ngăn chặn dòng điện một chiều và chỉ cho tín hiệu xoay chiều e_s đi qua.

Cực B của mạch ở trên là cực chung của tìn hiệu vào (B và E) với tín hiệu ra (B và C) nên còn được gọi là mạch base chung (viết tắt là B.C). Hệ thức (1) và (2) là các hệ thức cơ bản của mạch B.C.

Ở trên ta thấy, nếu J_E được phân cực thuận và J_C được phân cực nghịch thì transistor sẽ làm việc ở chế độ khuếch đại.

Ngoài ra, nếu J_E và J_C cùng phân cực nghịch thị transistor sẽ ở chế độ khoá (ngưng dẫn); còn nếu J_E và J_C cùng phân cực thuận thì transistor sẽ ở chế độ mở (dẫn bão hoà). Hai chế độ hoạt động này của transistor được ứng dụng trong kỹ thuật số (mạch logic).

 

{-- xem đầy đủ nội dung ở phần xem online hoặc tải về --}

 

Trên đây là một phần trích đoạn nội dung Chuyên đề Nguyên tắc hoạt động và khả năng khuếch đại của Transistor. Để xem toàn bộ nội dung các em chọn chức năng xem online hoặc đăng nhập vào trang hoc247.net để tải tài liệu về máy tính.

Chúc các em học tốt!