Tranzito lưỡng cực (Transistor Bipolar)

Nếu trên cùng một đế bán dẫn người ta tạo ra hai tiếp giáp P-N ở gần nhau, dựa trên đặc tính dẫn điện của mỗi tiếp giáp và tác dụng tương hỗ giữa chúng sẽ làm cho dụng cụ này có khả năng khuếch đại được những tín hiệu điện.

1.Cấu tạo

Gồm 3 lớp bán dẫn ghép liên tiếp nhau, hai lớp ngoài cùng có tính dẫn điện cùng loại, lớp ở giữa có tính dẫn điện khác với hai lớp ngoài. Tuỳ theo cách sắp xếp các khối bán dẫn mà ta có Tranzito thuận p-n-p (hình a) và Tranzito ngược n-p-n (hình b) được chỉ ra trên hình vẽ.
– Lớp (miền) bán dẫn thứ nhất gọi là lớp phát (Emitơ), có đặc điểm là nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với nó gọi là cực phát E.
– Lớp thứ hai gọi là lớp gốc (Bazơ), có kích thước rất mỏng cỡ m và nồng độ tạp chất ít nhất, điện cực nối với nó gọi là cực gốc B.
– Lớp thứ ba có nồng độ tạp chất trung bình gọi là lớp góp (Côlectơ), điện cực nối với nó gọi là cực góp C.
– Tiếp giáp giữa lớp phát với lớp gốc gọi là tiếp giáp phát JE
– Tiếp giáp giữa lớp gốc với lớp góp gọi là tiếp giáp góp JC
– Chiều mũi tên trong ký hiệu của Tranzito bao giờ cũng là chiều của điện áp phân cực thuận cho tiếp giáp phát JE (có chiều từ bán dẫn P sang bán dẫn N).
2. Nguyên lý làm việc
Để cho Tranzito có thể làm việc ở chế độ khuyếch đại tín hiệu điện, người ta phải đưa điện áp một chiều tới các điện cực của nó gọi là phân cực cho tranzito, sao cho tiếp giáp JE phân cực thuận và tiếp giáp JC phân cực ngược như hình vẽ.

Giả sử ta xét tranzito pnp như hình vẽ Do tiếp giáp JE được phân cực thuận bằng nguồn UEB, điện trường EEB này có tác dụng gia tốc các hạt dẫn điện đa số (lỗ trống) từ vùng phát qua JE đến vùng gốc tạo thành dòng

điện cực phát IE. Do nồng độ các lỗ trống ở vùng phát lớn nên dòng điện cực phát IE có giá trị lớn.

Khi đến vùng gốc, một phần nhỏ lỗ trống sẽ tái hợp với các điện tử đến từ cực âm của nguồn UEB tạo thành dòng điện cực gốc IB. Do vùng gốc có bề dày mỏng và nồng độ các hạt dẫn điện tử rất ít nên dòng điện cực gốc IB rất nhỏ. Phần lớn các lỗ trống còn lại khuyếch tán qua vùng gốc và di chuyển đến tiếp giáp góp JC. Tại tiếp giáp góp, điện trường UCB thuận chiều với các hạt này nên sẽ cuốn chúng qua tiếp giáp JC sang lớp góp để tạo thành dòng điện cực góp IC.

Thực tế, vì tiếp giáp JC phân cực ngược nên trên nó vẫn tồn tại một dòng điện ngược có trị số nhỏ (giống như dòng điện ngược của điốt) ICB0 , do mật độ các hạt dẫn thiểu số nhỏ nên dòng ICB0 có trị số nhỏ, ta có thể bỏ qua.

Khi đó, ta có biểu thức dòng điện trong tranzito là:

IE=IB+IC.DoIB<<IE ,IB<<IC nên IE » IC

Để đánh giá mức độ hao hụt của dòng điện cực phát tại vùng cực gốc, người ta đưa ra khái niệm gọi là hệ số truyền đạt dòng điện a :

a= IC/IE,a®1 càng tốt. (1)

Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện cực gốc tới dòng điện cực góp người ta đưa ra hệ số khuyếch đại dòng điện b: b=IC /IB.(2)

Thường b=vài chục¸vài trăm lần,từ(1) và (2) ta có quan hệ: a= b/1+b

Đối với Tranzito ngược P-N-P, nguyên lý làm việc cũng tương tự như tranzito thuận, chỉ khác là ở tranzito ngược phần tử mang điện đa số ở cực phát là điện tử, đồng thời để cho sơ đồ hoạt động ta phải đổi lại cực tính của các nguồn điện cũng như đổi lại chiều của các dòng điện IE, IB, IC .

3.Các cách mắc Tranzito ở chế độ khuếch đại

Khi sử dụng về nguyên tắc có lấy hai trong số ba cực của tranzito làm đầu vào, cực thứ ba còn lại cùng với một cực đầu vào làm đầu ra. Như vậy có tất cả sáu cách mắc mạch khác nhau. Nhưng dù mắc như thế nào cũng cần có một cực chung cho cả đầu vào và đầu ra. Trong số sáu cách mắc đó thì chỉ có ba cách mắc là tranzito có thể khuếch đại được công suất, đó là cách mắc chung Emitơ (EC), chung Bazơ (BC) và chung Colectơ (CC). Ba cách mắc còn lại không có ứng dụng trong thực tế.

Từ cách mắc được dùng trong thực tế của tranzito, về mặt sơ đồ có thể coi tranzito là một mạng 4 cực gần tuyến tính có hai đầu vào và hai đầu ra.

Có thể viết ra 6 cặp phương trình mô tả quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của mạng 4 cực trong đó dòng điện và điện áp là những biến số độc lập. Nhưng trong thực tế tính toán thường dùng nhất là 3 cặp phương trình tuyến tính sau:

Cặp phương trình trở kháng có được khi coi các điện áp là hàm, các dòng điện là

biến có dạng sau:

Cặp phương trình dẫn nạp có được khi coi các dòng điện là hàm của các biến điện áp :

Cặp phương trình hỗn hợp :

Trong đó: rij ,gij ,hij tương ứng là các tham số trở kháng, dẫn nạp và hỗn hợp của tranzito.

Bằng cách lấy vi phân toàn phần các hệ phương trình trên, ta sẽ xác định được các tham số vi phân tương ứng của tranzito. Ví dụ:

* Sơ đồ tương đương của tranzito: có 2 loại cơ bản là sơ đồ tương đương tự nhiên và sơ đồ tương đương thay thế.

-Sơ đồ tương đương tự nhiên: dạng của sơ đồ phụ thuộc vào dạng mắc mạch của tranzito và các tham số của sơ đồ trực tiếp biểu thị những tính chất vật lý của tranzito, vì thế các tham số của nó còn gọi là các tham số bản thân hay các tham số vật lý.

-Sơ đồ tương đương thay thế: dạng của sơ đồ không phụ thuộc vào dạng mắc mạch của tranzito và được thành lập dựa trên cơ sở các hệ phương trình cơ bản của các tham số.

Sơ đồ tương đương tự nhiên hình của tranzito mắc theo sơ đồ gốc chung (BC)

Các tham số cơ bản:

rE – điện trở vi phân của tiếp giáp emitơ và phần chất bán dẫn làm cực emitơ. rB – điện trở khối của vùng bazơ

rC – điện trở vi phân của tiếp giáp góp CE – điện dung của tiếp giáp phát

CC – điện dung của tiếp giáp góp

aIE – nguồn dòng tương đương của cực emitơ đưa tới colectơ

U1, I1, U2, I2 lần lượt tương ứng là điện áp và dòng điện đầu vào và đầu ra của mạch. h11 – Điện trở đầu vào của tranzito khi đầu ra ngắn mạch đối với tín hiệu:

Nếu tranzito được mắc theo mạch phát chung thì các tham số h còn phải có thêm chữ E bên cạnh các chữ số, ví dụ như: h21E để nói lên rằng các tham số được xác định cho tranzito mắc theo mạch phát chung, tương tự khi tranzito được mắc theo mạch gốc chúng ta phải thêm chữ B và khi tranzito được mắc theo mạch góp chung ta phải thêm chữ C

Mối quan hệ giữa những tham số h của tranzito trong sơ đồ tương đương thay thế và những tham số vật lý của nó trong sơ đồ tương đương tự nhiên, khi nó được mắc theo mạch gốc chung có thể thiết lập được nếu các phương trình liên hệ giữa dòng điện và điện áp trong sơ đồ tương đương tự nhiên cũng được viết dưới dạng tương tự với các phương trình: