Những điều cần biết về BJT
1. Transistor lưỡng cực là gì?
2. Nguyên lý hoạt động chung của Transistor lưỡng cực
3. Phân loại các Transistor lưỡng cực
4. Đặc tính của BJT
5. Ưu và nhược điểm của transistor lưỡng cực
6. Ứng dụng của transistor lưỡng cực
1. Transistor lưỡng cực là gì?
BJT, viết tắt của Bipolar Junction Transistor hay còn gọi là Transistor lưỡng cực, là một loại linh kiện bán dẫn ba khối bao gồm hai điốt loại p và n giúp khuếch đại và phóng đại tín hiệu. Ba khối bán dẫn bên trong BJT là base (cực gốc), emitter (cực phát) và collector (cực thu). BJT là loại transistor sử dụng cả electrons và lỗ hổng điện từ làm hạt tải điện.
Ký hiệu BJT:
Các ký hiệu mạch cho cả transistor BJT loại NPN và PNP như sau
Các ký hiệu mạch cho cả transistor BJT loại NPN và PNP như sau
Điểm khác nhau duy nhất giữa hai loại transistor NPN và PNP đó là hướng mũi tên ở cực phát. Mũi tên ở cực phát trên transistor NPN hướng đi ra và trên transistor PNP, hướng đi vào.
2. Nguyên lý hoạt động chung của Transistor lưỡng cực
NPN transistor được phân cực thuận nghịch (Active mode), trong đó tiếp điểm emitter-base được phân cực thuận và tiếp điểm collector-base được phân cực nghịch. Chiều rộng của tiếp điểm emitter-base nhỏ hơn so với collector-base.
Sự phân cực thuận ở tiếp điểm emitter-base giúp làm giảm rào cản cho các electron có thể di chuyển từ emitter đến base. Vì cực base khá mỏng và ít bị pha tạp nên chúng có ít lỗ hổng điện từ nhờ đó mà các electrons có thể khỏa lấp lỗ trống này và di chuyển ra khỏi cực base.
Hiện tượng này tạo nên dòng điện chạy qua cực base. Các electrons còn lại sẽ tiếp tục vượt qua tiếp điểm collector base được phân cực ngược và tạo nên dòng điện chạy qua cực collector. Dựa trên định luật Kirchhoff,
IE = IB+ IC
Tuy nhiên dòng điện qua cực base tương đối nhỏ nên ta có thể cho rằng IE ~ IC.
Với NPN transistor, phần lớn các hạt tải điện là electrons. Ngược lại, phần lớn hạt tải điện của PNP transistor là các lỗ trống điện tử (holes electrons). Về mặt nguyên lý hoạt động, NPN và PNP transistor tương tự nhau. Ở BJT, chỉ một phần nhỏ dòng điện chạy qua là do hạt tải điện cơ bản (đa số) và hầu hết dòng tải điện là do hạt tải điện không cơ bản (thiểu số).
3. Phân loại các Transistor lưỡng cực
Transistor lưỡng cực được chia ra thành loại là transistor thuận (P-N-P) và transistor ngược (N-P-N).
PNP BJT
Trong PNP BJT, chất bán dẫn loại n được kẹp giữa hai chất bán dẫn loại p. Hai chất bán dẫn loại p đóng vai trò là bộ phát và bộ thu tương ứng trong khi chất bán dẫn loại n đóng vai trò là cơ sở. Điều này được thể hiện trong hình bên dưới.
2. Nguyên lý hoạt động chung của Transistor lưỡng cực
NPN transistor được phân cực thuận nghịch (Active mode), trong đó tiếp điểm emitter-base được phân cực thuận và tiếp điểm collector-base được phân cực nghịch. Chiều rộng của tiếp điểm emitter-base nhỏ hơn so với collector-base.
Sự phân cực thuận ở tiếp điểm emitter-base giúp làm giảm rào cản cho các electron có thể di chuyển từ emitter đến base. Vì cực base khá mỏng và ít bị pha tạp nên chúng có ít lỗ hổng điện từ nhờ đó mà các electrons có thể khỏa lấp lỗ trống này và di chuyển ra khỏi cực base.
Hiện tượng này tạo nên dòng điện chạy qua cực base. Các electrons còn lại sẽ tiếp tục vượt qua tiếp điểm collector base được phân cực ngược và tạo nên dòng điện chạy qua cực collector. Dựa trên định luật Kirchhoff,
IE = IB+ IC
Tuy nhiên dòng điện qua cực base tương đối nhỏ nên ta có thể cho rằng IE ~ IC.
Với NPN transistor, phần lớn các hạt tải điện là electrons. Ngược lại, phần lớn hạt tải điện của PNP transistor là các lỗ trống điện tử (holes electrons). Về mặt nguyên lý hoạt động, NPN và PNP transistor tương tự nhau. Ở BJT, chỉ một phần nhỏ dòng điện chạy qua là do hạt tải điện cơ bản (đa số) và hầu hết dòng tải điện là do hạt tải điện không cơ bản (thiểu số).
3. Phân loại các Transistor lưỡng cực
Transistor lưỡng cực được chia ra thành loại là transistor thuận (P-N-P) và transistor ngược (N-P-N).
PNP BJT
Trong PNP BJT, chất bán dẫn loại n được kẹp giữa hai chất bán dẫn loại p. Hai chất bán dẫn loại p đóng vai trò là bộ phát và bộ thu tương ứng trong khi chất bán dẫn loại n đóng vai trò là cơ sở. Điều này được thể hiện trong hình bên dưới.
Dòng điện đi vào bóng bán dẫn thông qua bộ phát sao cho điểm nối cực phát-cơ sở được phân cực thuận và điểm nối cực thu-cơ sở được phân cực ngược.
NPN BJT
Trong NPN BJT, chất bán dẫn loại p được kẹp giữa hai chất bán dẫn loại n. Hai chất bán dẫn loại n đóng vai trò là bộ phát và bộ thu tương ứng trong khi chất bán dẫn loại p đóng vai trò là cơ sở. Điều này được thể hiện trong hình bên dưới.
NPN BJT
Trong NPN BJT, chất bán dẫn loại p được kẹp giữa hai chất bán dẫn loại n. Hai chất bán dẫn loại n đóng vai trò là bộ phát và bộ thu tương ứng trong khi chất bán dẫn loại p đóng vai trò là cơ sở. Điều này được thể hiện trong hình bên dưới.
Dòng điện đi vào bộ phát, cơ sở và bộ thu có quy ước về dấu dương trong khi dòng điện rời khỏi bóng bán dẫn có quy ước về dấu âm.
4. Đặc tính của BJT
BJT có 3 chế độ hoạt động khác nhau là:
- Chế độ Common base (CB)
- Chế độ Common emitter (CE)
- Chế độ Common collector (CC)
Cả 3 chế độ được thể hiện qua hình sau
4. Đặc tính của BJT
BJT có 3 chế độ hoạt động khác nhau là:
- Chế độ Common base (CB)
- Chế độ Common emitter (CE)
- Chế độ Common collector (CC)
Cả 3 chế độ được thể hiện qua hình sau
Đặc tính Common base (CB)
Đặc tính đầu vào
Ở PNP transistor, dòng điện đầu là dòng điện của emitter (IE) còn điện áp đầu vào là điện áp của collector (VCB)
Đặc tính đầu vào
Ở PNP transistor, dòng điện đầu là dòng điện của emitter (IE) còn điện áp đầu vào là điện áp của collector (VCB)
Vì tiếp điểm emitter-base phân cực thuận nên mối liên hệ giữa IE và VEB cũng tương tự như đặc tính phân cực thuận của điốt p-n. Có nghĩa là, với IE tăng lên, trong khi đó VEB cố định thì VCB cũng sẽ tăng.
Đặc tính đầu ra
Dòng điện đầu ra là dòng điện của collector (IC) và dòng điện của emitter (IE) là dòng điện đầu vào, hoạt động như một tham số trong mối liên hệ giữa dòng điện đầu ra và điện áp đầu ra. Hình sau thể hiện đặc tính đầu ra của PNP transistor khi ở chế độ CB.
Đặc tính đầu ra
Dòng điện đầu ra là dòng điện của collector (IC) và dòng điện của emitter (IE) là dòng điện đầu vào, hoạt động như một tham số trong mối liên hệ giữa dòng điện đầu ra và điện áp đầu ra. Hình sau thể hiện đặc tính đầu ra của PNP transistor khi ở chế độ CB.
Như đã đề cập ở trên, với PNP transistor, IE và VEB mang điện tích dương còn IC, IB và VCB mang điện tích âm. Đây là 3 vùng hoạt động đặc trưng của BJT: Phân cực thuận nghịch (Active region), phân cực thuận (Saturation region) và phân cực nghịch (Cut-off region). Vùng phân cực thuận nghịch (Active region) là vùng mà BJT hoạt động bình thường.
Với điểm tiếp nối emitter được phân cực ngược, vùng phân cực thuận (Saturation region) là vùng mà điểm tiếp nối emitter-collector được phân cực thuận, và ở cùng phân cực nghịch (Cut-off region) thì điểm tiếp nối emitter-collector được phân cực nghịch.
Đặc tính Common emitter (CE)
Đặc tính đầu vào
Ở chế độ Common emitter (CE), dòng điện qua cực base IB là dòng điện đầu vào, điện áp giữa emitter-base VEB là điện áp đầu vào. Nên đặc tính đầu vào của chế độ này sẽ phụ thuộc vào mỗi liên hệ giữa IB và VEB với VCE là tham số. Bạn có thể tham khảo hình sau:
Với điểm tiếp nối emitter được phân cực ngược, vùng phân cực thuận (Saturation region) là vùng mà điểm tiếp nối emitter-collector được phân cực thuận, và ở cùng phân cực nghịch (Cut-off region) thì điểm tiếp nối emitter-collector được phân cực nghịch.
Đặc tính Common emitter (CE)
Đặc tính đầu vào
Ở chế độ Common emitter (CE), dòng điện qua cực base IB là dòng điện đầu vào, điện áp giữa emitter-base VEB là điện áp đầu vào. Nên đặc tính đầu vào của chế độ này sẽ phụ thuộc vào mỗi liên hệ giữa IB và VEB với VCE là tham số. Bạn có thể tham khảo hình sau:
Đặc tính đầu vào của chế độ CE tương tự như đặc tính phân cực thuận của điốt p-n. Tuy nhiên, khi VCB tăng thì chiều rộng của cực base sẽ bị thu hẹp lại.
Đặc tính đầu ra
Đặc tính đầu ra ở chế độ CE được thể hiện qua mối liên hệ của dòng điện chạy qua collector IC và điện áp giữa collector-emitter VCE khi dòng điện qua cực base IB là tham số. Bạn có thể tham khảo hình sau:
Đặc tính đầu ra
Đặc tính đầu ra ở chế độ CE được thể hiện qua mối liên hệ của dòng điện chạy qua collector IC và điện áp giữa collector-emitter VCE khi dòng điện qua cực base IB là tham số. Bạn có thể tham khảo hình sau:
Tương tự như đặc tính đầu ra của chế độ common base (CB) transistor, chế độ CE cũng có 3 vùng hoạt động đặc trưng của BJT: Phân cực thuận nghịch (Active region), phân cực thuận (Saturation region) và phân cực nghịch (Cut-off region). Ở vùng phân cực thuận nghịch (Active region), tiếp điểm collector được phân cực ngược còn tiếp điểm emitter được phân cực thuận.
Đối với vùng phân cực nghịch (Cut-off region), tiếp điểm emitter chỉ hơi phân cực ngược và dòng điện qua collector không hoàn toàn bị cắt. Cuối cùng, với vùng phân cực thuận (Saturation region), tiếp điểm emitter và collector đều hoàn toàn phân cực thuận.
Đối với vùng phân cực nghịch (Cut-off region), tiếp điểm emitter chỉ hơi phân cực ngược và dòng điện qua collector không hoàn toàn bị cắt. Cuối cùng, với vùng phân cực thuận (Saturation region), tiếp điểm emitter và collector đều hoàn toàn phân cực thuận.
5. Ưu và nhược điểm của transistor lưỡng cực
Ưu điểm
– Lượng điện năng tiêu thụ không cao.
– Gần như không có độ trễ khi khởi động.
– Bởi BJT không có bộ phận làm nóng Cathode nên chúng không chứa chất độc hại.
– Kích thước của transistor lưỡng cực nhỏ, nhẹ và dần được hoàn thiện.
– Điện áp của BJT có thể nhỏ gần bằng với mức điện áp của một pin tiểu.
– Hiệu suất hoạt động lớn.
– Tuổi thọ dài, ít bị tác động bởi môi trường bên ngoài như va đập…
Nhược điểm
– Hiệu năng hoạt động giảm dần theo thời gian sử dụng.
– BJT có nhiều hạn chế khi hoạt động với công suất lớn và tần số cao.
– Transistor lưỡng cực dễ bị hỏng khi có sự thay đổi đột ngột của điện năng hoặc nhiệt độ. Ngoài ra nó cũng rất nhạy cảm với bức xạ.
Ưu điểm
– Lượng điện năng tiêu thụ không cao.
– Gần như không có độ trễ khi khởi động.
– Bởi BJT không có bộ phận làm nóng Cathode nên chúng không chứa chất độc hại.
– Kích thước của transistor lưỡng cực nhỏ, nhẹ và dần được hoàn thiện.
– Điện áp của BJT có thể nhỏ gần bằng với mức điện áp của một pin tiểu.
– Hiệu suất hoạt động lớn.
– Tuổi thọ dài, ít bị tác động bởi môi trường bên ngoài như va đập…
Nhược điểm
– Hiệu năng hoạt động giảm dần theo thời gian sử dụng.
– BJT có nhiều hạn chế khi hoạt động với công suất lớn và tần số cao.
– Transistor lưỡng cực dễ bị hỏng khi có sự thay đổi đột ngột của điện năng hoặc nhiệt độ. Ngoài ra nó cũng rất nhạy cảm với bức xạ.
6. Ứng dụng của transistor lưỡng cực
BJT thường được sử dụng trong các mạch điện rời vì chúng có khả năng dẫn điện tốt, chúng phù hợp với các ứng dụng sử dụng mạch điện có tần số cao. Đó là lý do vì sao BJT được dùng làm tần số vô tuyến ở các hệ thống không dây. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng trong việc khuếch đại tín hiệu.
BJT thường được sử dụng trong các mạch điện rời vì chúng có khả năng dẫn điện tốt, chúng phù hợp với các ứng dụng sử dụng mạch điện có tần số cao. Đó là lý do vì sao BJT được dùng làm tần số vô tuyến ở các hệ thống không dây. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng trong việc khuếch đại tín hiệu.
