CHƯƠNG v : TRANSISTOR HAI TIẾP GIÁP (BJTs)

CHƢƠNG 5

TRANSISTOR HAI TIẾP GIÁP (BJTs)

Giới thiệu

5.1 Cấu trúc vật lý, nguyên lý hoạt độ ng của BJT

5.2 Đặc tuyến V-A củ a BJT

5.3 Các mạch BJT ở chế độ một chiều

5.4 BJT hoạt động ở chế độ khuếch đại và chế độ chuyển mạch

5.5 Phân cự c trong các mạ ch khuếch đại dùng BJT

5.6 Hoạt động của BJT với tín hiệu nhỏ và các mô hình tương đương

5.7 Các mạch khuếch đại BJT đơn tầng

5.8 Đáp ứng tần số củ a mạch khuếch đại emitơ chung

Tổng kết

Bài tập

GIỚI THIỆU

Trong chương này chúng ta đi nghiên cứu một linh kiện ba cực quan trọng khác, đó là

transistor lưỡng cực (BJT). Nội dung của chương này đượ c trình bày song song và không phụ

thuộc vào nội dung phần MOSFET trong Chương 4, do đó nếu muốn, transistor lưỡng cực có

thể được nghiên cứu trước MOSFET.

Những linh kiện ba cực hữu ích hơn rất nhiều so với những linh kiện hai cực, chẳng

hạn như DIODES đã đượ c nghiên cứu trong chương 3, bởi vì chúng có thể được sử dụng

trong rất nhiều các ứng dụng, từ khuếch đại tín hiệu đến thiết kế mạch logic số và các mạch

nhớ. Nguyên lý cơ bản là sử dụng điện áp giữa hai cực để kiểm soát dòng điện chạy trong

cực thứ ba. Bằng cách này, một linh kiện ba cực có thể được sử dụng như là đượ c điều khiển

bởi một nguồn mà chúng ta đã học trong chương 1 và là cơ sở để thiết kế bộ khuếch đại.

Ngoài ra tín hiệu điều khiển có thể được sử dụng để tạo ra dòng điện trong cực thứ ba bằng

cách thay đổi từ 0 đến giá trị lớn, do vậy cho phép linh kiện hoạt động như một thiết bị

chuyển mạch. Như chúng ta đã học trong Chương 1, bộ chuyển mạch là cơ sở cho việc thực

hiện bộ biến đổi logic, là thành phần cơ bản của các mạch số.

Sự phát minh của BJT vào năm 1948 tại phòng thí nghiệm Bell Telephone mở ra thời

đại cho những mạch bán dẫn, mà các thiết bị điện tử làm thay đổi cách chúng ta làm việc,

chơi, và sống. Sự phát minh của BJT cuối cùng cũng dẫn đến sự thống trị của công nghệ

thông tin và sự xuất hiện của nền kinh tế tri thức.

Transistor lưỡng cực được sử dụng trong gần ba thập kỷ như là một linh kiện được lựa

chọn trong cả các thiết kế của mạch rời rạc và mạch tích hợp. Mặc dù MOSFET đã được biết

đến từ rất sớm nhưng phải đến những năm 1970 và 1980 nó mới trở thành đối thủ cạnh trạnh

quan trọng với BJT. Tại thời điểm viết cuốn sách này (2003), MOSFET chắc chắn được sử

dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, và công nghệ CMOS là công nghệ được lự a chọn

trong việc thiết kế các mạch tích hợp. Tuy vậy BJT vẫn là một linh kiện quan trọng và vượt

trội trong những ứng dụng nhất định. Ví dụ như, độ tin cậy của các mạch dùng BJT dưới điều

kiện môi trường khắc nghiệt làm cho chúng trở thành linh kiện có ưu thế vượt trội trong

ngành điện tử ô tô, một lĩnh vực quan trọng và vẫn còn đang phát triển.

BJT vẫn phổ biến trong thiết kế mạch rời rạc, trong đó một sự lựa chọn đa dạng của

các loại BJT có sẵn cho các nhà thiết kế. Ở đây ta nên đề cập đến các đặc tính của transistor

lưỡng cực cũng như hiểu rõ rằng có thể thiết kế mạch transistor có đặc tính dự đoán được và

khá nhạy cảm với những thay đổi của các thông số linh kiện.

BJT vẫn là linh kiện được ưu tiên trong các ứng dụng mạch tương tự đòi hỏi sự khắt

khe, cả mạch tích hợp và rời rạc. Điều này đặc biệt đúng trong các ứng dụng tần số cao, chẳng

hạn như mạch tần số vô tuyến (RF) cho các hệ thống không dây. Một họ mạch logic số tốc độ

rất cao dựa trên transistor lưỡng cực, tên là mạch logic ghép emitơ vẫn còn đượ c sử dụng.

Cuối cùng transistor lưỡng cực có thể kết hợp với MOSFETs để tạo ra một mạch có tính mới

mà vẫn giữ được lợi thế của MOSFET là trở kháng đầu vào cao và công suất tiêu thụ thấp, tần

số hoạt động cao và khả năng chịu dòng lớn của transistor lưỡng cực. Công nghệ cuối cùng

được biết như là BiMOS hoặc BiCMOS, và nó được tìm thấy ngày một nhiều trong các lĩnh

vực ứng dụng (xem Chương 6,7,9 và 11).

Trong chương này, chúng ta sẽ bắt đầu với mô tả đơn giản về hoạt động vật lý của

BJT. Mặc dù đơn giản, mô tả vật lý cung cấp một cái nhìn sâu sắc đáng kể về đặc tính của

transistor như là một phần tử của mạch. Sau đó chúng ta nhanh chóng chuyển từ mô tả dòng

điện dưới dạng các điện tử và lỗ trống đến một nghiên cứu về đặ c tính các cực của transistor.

Các mô hình mạch cho sự hoạt động của transistor ở các chế độ khác nhau sẽ được phát triển

và sử dụng trong phân tích và thiết kế các mạch transistor.

Mục tiêu chính của chương này là để trình bày cho người đọc sự hiểu biết sâu sắc về

BJT. Do đó vào cuối chương này người đọc có thể thực hiện nhanh chóng việc phân tích

mạch transistor và thiết kế tầng khuếch đại đơn dùng transistor và các bộ biến đổi logic đơn

giản.

5.1 Cấu trúc vật lý, nguyên lý hoạt động của BJT

5.1.1 Đơn giản hóa cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Hình 5.1 chỉ ra một cấu trúc đơn giản của BJT. Một cấu trúc thực tế sẽ được chỉ ra sau

(xem phụ lục A, trong đó có đề cập đến công nghệ chế tạo).

Như đượ c chỉ ra trong hình 5.1, BJT bao gồm 3 vùng bán dẫn: vùng phát (loại n),

vùng gốc (loại p) và vùng góp (loại n). Một transistor như vậy được gọi là transistor npn. Một

transistor khác như đượ c chỉ ra trong hình 5.2 có một vùng phát loại p, một vùng gốc loại n,

và một vùng góp loại p, và được gọi một transistor pnp.

Hình 5.1 Cấu trúc đơn giản hóa của transistor npn.

Hình 5.2 Cấu trúc đơn giản hóa của transistor pnp

Mỗi cực được nối với một trong ba vùng bán dẫn của transistor, với các tên gọi là cực

phát (E) , cực gốc (B) và cực góp (C). Transistor gồm có 2 tiếp giáp pn, tiếp giáp phát-gốc

(EBJ) và tiếp giáp góp-gốc (CBJ). Tùy thuộc vào điều kiện phân cực (thuận hay ngược ) của

mỗi lớp tiếp giáp này, transistor BJT hoạt động ở các chế độ khác nhau và được thể hiện

trong Bảng 5.1.

BẢNG 5.1 Các chế độ hoạt động của BJT

Chế độ EBJ CBJ

Cắt dòng Ngược Ngược

Tích cực Thuận Ngược

Tích cực ngược Ngược Thuận

Bão hòa Thuận Thuận

Chế độ tích cực, hay còn được gọi là chế độ Forward active, là một chế độ đượ c sử

dụng mà transistor hoạt động như một bộ khuếch đại. Các ứng dụng khóa điện tử (ví dụ các

mạch logic) sử dụng cả hai chế độ cắt dòng và bão hòa. Chế độ tích cực ngƣợc (reverce

active) có ứng dụng rất là giới hạn nhưng là mộ t khái niệm quan trọng.

Như chúng ta thấy ngay, các hạt tải điện với cả hai cực tính – đó là các điện tử và các

lỗ trống tham gia vào quá trình dẫn dòng trong một transistor lưỡng cực, đó là lý do xuất phát

cho tên gọi lưỡng cực.

Hình 5.3 Dòng điện chảy trong một transistor npn được phân cực để hoạt động ở chế độ tích cực

(các thành phần dòng ngược do trôi nhiệt của các hạt dẫn điện thiểu số sinh ra không được thể hiện).

5.1.2 Hoạt động của transistor npn ở chế độ tích cƣ̣ c

Ta hãy bắt đầu xét hoạt động vật lý của transistor ở trong chế độ tích cự c . Chế độ này

được minh họa trong hình 5.3 cho transistor loại npn. Hai điện áp ngoài (thể hiện như nguồn

pin) được sử dụng để thiết lập các điều kiện phân cực cần thiết cho chế độ hoạt động tích cự c.

Điện áp

VBE

dẫn đến cực gốc loại p có điện thế cao hơn so với điện thế ở cực phát loại n, do

đó phân cực thuận ở lớp tiếp giáp phát-gốc. Điện áp góp-gốc

VCB

dẫn đến cực góp loại n có

điện thế lớn hơn điện thế ở cực gốc loại p, dẫn đến phân cực ngược ở lớp tiếp giáp góp-gốc.

Dòng điện Trong mô tả sau đây của dòng điện chỉ các thành phần dòng khuếch tán

được xem xét. Dòng trôi nhiệt, do các hạt dẫn điện thiểu số sinh ra , thường rất nhỏ và có thể

bỏ qua. Tuy nhiên ta sẽ nói nhiều hơn về các thành phần dòng này ở phần sau.

Phân cực thuận ở lớp tiếp giáp phát-gốc sẽ dẫn đến có dòng chảy qua lớp tiếp giáp

này. Dòng điện sẽ gồm hai thành phần: electrons chảy từ cực phát vào cực gốc, và lỗ trống

chảy từ cực gốc vào cực phát . Sớm có thể thấy đượ c , đó là rất mong muốn thành phần đầu

tiên (điện tử từ cực phát đến cực gốc) ở một mức độ cao hơn so với thành phần thứ hai (lỗ

trống từ cực gốc đến cực phát). Điều này có thể được thực hiện bằng cách chế tạo linh kiện

với một cực phát nhiều tạp chất và một cực gốc có nồng độ tạp chất ít; nghĩa là linh kiện được

thiết kế để có mật độ lớn các hạt điện tử ở cực phát và mật độ thấp các lỗ trống ở cực gốc.

Dòng điện chảy qua lớp tiếp giáp phát - gốc sẽ tạo thành dòng điện phát

E

i

như chỉ ra

trong hình 5.3. Hướng của dòng

E

i

đi ra từ đầu ra cực phát, cùng với hướng của dòng lỗ trống

và ngược hướng với dòng điện tử, với dòng cực phát

E

i

sẽ bằng tổng của hai thành phần này.

Tuy nhiên, thành phần điện tử lớn hơn rất nhiều so với thành phần lỗ trống, dòng cực phát sẽ

được chi phối bởi thành phần điện tử (electrons).

Hình 5.4 Mô tả nồng độ của các hạt dẫn điện thiểu số trong cực gốc và cực phát của một

transistor npn hoạt động ở chế độ tích cự c :

vBE  0

và

vCB  0.

Bây giờ ta hãy xét các điện tử chảy từ cực phát vào cực gốc. Các điện từ này sẽ là các

hạt dẫn điện thiểu số trong vùng cực gốc loại p. Bởi vì cực gốc thường rất mỏng , trong điều

kiện ổn định, nồng độ các hạt thiểu số dư thừa ở cực gốc sẽ có một dạng gần như đường thẳng

như thể hiện bằng đường thẳng nét liền trong Hình 5.4. Nồng độ điện tử (electron) sẽ cao nhất

(ký hiệu là

(0) nP

) ở phía cực phát (emitơ) và thấp nhất ở phía cực góp (collecter). Như trong

trường hợp của bất kỳ lớp tiếp giáp p – n phân cực thuận nào (phần 3.7.5), nồng độ (0) nP

sẽ

tỉ lệ thuận với

BE VT

v

e

/

,

BE VT

v

p p n n e

/

0

(0)  (5.1)

Trong đó

np0

là giá trị cân bằng nhiệt của các hạt thiểu số (electron) tập trung ở vùng

cực gốc,

BE v

là điện áp phân cực thuận cho tiếp giáp gốc -phát, và

VT

là điện thế nhiệt , nó

bằng xấp xỉ bằng 25 mV ở nhiệt độ phòng. Lý do cho không có nồng độ electron phía cực góp

trong vùng cực gốc là điện áp colectơ

CB v

dương dẫn đến các electron ở cuối cùng sẽ chảy

qua vùng nghèo CBJ.

Nồng độ các hạt dẫn điện thiểu số có hình nón (Hình 5.4) dẫn đến các electron chảy

vào cực gốc khuếch tán qua vùng cực gốc về phía vùng cực góp . Dòng electron khuếch tán

này

n

I

tỷ lệ thuận với độ dốc của biên dạng đường thẳng,

















 



W

n

A qD

dx

dn x

I A qD

p

E n

p

n E n

(0)

( )

(5.2)

trong đó

AE

là tiết diện của của lớp tiếp giáp bazơ – emitơ (hướng vuông góc với trang giấy),

q

là độ lớn điện tích của electron , Dn

là nồng độ electron khuếch tán trong cực gốc và W

là

độ rộ ng thự c tế củ a bazơ. Quan sát thấy rằng độ dốc âm của đường thẳng nồng độ các hạt dẫn

điện thiểu số dẫn đến một dòng điện âm

n

I

chảy qua cực gốc; nghĩa là,

n

I

chảy từ bên phải

sang bên trái (ngược hướng của

x

).

Một số các điện tử được khuếch tán qua vùng cực gốc sẽ kết hợ p với với các lỗ trống ,

là các hạt dẫn điện đa số trong vùng cực gốc . Tuy nhiên, vì cực gốc thường rất mỏng, tỉ lệ các

electron “bị mất” trong quá trình tái tổ hợp này khá nhỏ . Tuy nhiên, sự tái tổ hợp trong vùng

cực gốc làm dư thừa nồng độ các hạt dẫn điện thiểu số , dẫn tới đường đặc tính bị lệch khỏi

đường thẳng và có hình dạng hơi lõm xuống biểu thị bởi đường nét đứt như trong Hình 5.4.

Độ dốc của đường nồng độ tại tiếp giáp EBJ cao hơn một chút so với tại CBJ , bằng sự tính

toán khác nhau cho thấy số lượng ít các hạt electron bị mất trong vùng cực gốc thông qua quá

trình tái tổ hợp.

Dòng điện cực góp Từ mô tả phía trên ta thấy rằng phần lớn các electron khuếch tán

sẽ đạt tới ranh giới của vùng nghèo góp-gốc. Bởi vì cực góp dương hơn cực gốc ( bởi điện áp

CB v

) , những electron này sẽ chạy qua vùng nghèo CJB vào cực góp. Do đó chúng sẽ “tập

trung” lại để tạo thành dòng điện cực góp

C

i . Vì thế

C n

i  I

, nó sẽ tạo ra một giá trị âm cho

dòng

C

i

, cho thấy rằng dòng

C

i

chảy ngược hướng của trục

x

(đó là từ phải sang trái). Chúng

ta sẽ làm cho

C

i

chạy theo chiều dương , ta có thể bỏ dấu âm trong phương trình (5.2). Thực

hiện việc này và thế

(0) np

từ phương trình (5.1) vào, chúng ta có thể biểu diễn dòng điện

C

i

như sau

BE VT

v

C S

i I e

/



(5.3)

Trong đó dòng điện bão hòa

S

I

được cho bởi

I S  AE qDnnp0

/W

Thay

np ni NA

/

2

0 

, trong đó

ni

là mật độ các hạt ở bên trong và

NA

là mật độ tạp

chất trong cực gốc, ta có thể biểu diễn

S

I

bằng

N W

A qD n

I

A

E n i

S

2

 (5.4)

Một quan sát quan trọng có thể thấy ở đây là độ lớn của dòng

C

i

không phụ thuộc vào

điện áp

CB v

. Nghĩa là, miễn là cực góp dương so với cực gốc, các electron mà tiến đến phía

cực góp của vùng cực gốc sẽ chảy vào cực góp và được coi như dòng điện cực góp.

Dòng điện bão hòa

S

I

tỷ lệ nghịch với độ rộng của cực gốc

W

và tỷ lệ thuận với diện

tích của tiếp giáp EBJ . Giá trị điển hình của

S

I

nằm trong dải từ

12 10 A đến

18 10 A (phụ

thuộc vào diện tích của linh kiện ). Vì

S

I

tỉ lệ với

2

ni

, nó là một hàm số phụ thuộ c mạnh vào

nhiệt độ, lên khoảng gấp đôi với mỗi khi nhiệt độ tăng lên

0

5

C. (Sự phụ thuộc của

2

ni

vào

nhiệt độ tham khảo phương trình 3.37).

Vì

S

I

tỷ lệ thuận với diện tích lớp tiếp giáp (nghĩa là kích thước linh kiện), nó cũng sẽ

được gọi như là dòng điện tỷ lệ. Hai transistor giống nhau ngoại trừ mộ t cái có tiết diện EBJ

gấp đôi cái kia sẽ có một dòng điện bão hòa cũng với tỉ lệ đó (nghĩa là 2). Do đó đối với cùng

giá trị

BE v

linh kiện lớn hơn sẽ có một dòng colectơ gấp đôi so với linh kiện nhỏ hơn . Khái

niệm này thường xuyên được được sử dụng trong việc thiết kế mạch tích hợp.

Dòng điện cực gốc Dòng bazơ

B

i

bao gồm hai thành phần. Thành phần đầu tiên

B1

i

do các lỗ trống chảy từ vùng cực gốc vào vùng cực phát. Thành phần dòng điện này tỉ lệ với

BE VT

v

e

/

,

BE VT

v

D p

E p i

B

e

N L

A qD n

i

/

2

1  (5.5)

trong đó

DP

là nồng độ lỗ trống khuếch tá n trong cực phát,

Lp

là độ dài khuếch tán

của lỗ trống trong cực phát, và

ND

là nồng độ tạp chất trong cực phát.

Thành phần thứ hai của dòng điện cực gốc,

B2

i

do các lỗ trống mà phải được cấp bởi

mạch điện ngoài để thay thế các lỗ trống bị mất từ cực gốc trong quá trình tái hợp. Biểu thức

cho dòng

B2

i

có thể được xây dựng bằng cách lưu ý rằng nếu thời gian trung bình cho một hạt

electron thiểu số tái hợp với một hạt đa số là lỗ trống trong cực gốc được ký hiệu

b



( gọi là

thời gian tồn tại của các hạt thiểu số), thì trong

b



giây, điện tích các hạt dẫn điện thiểu số

trong cực gốc,

Qn

tái tổ hợp với các lỗ trống. Tất nhiên ở trạng thái xác lập,

Qn

được bổ sung

bởi electron chảy từ cực phát. Để bổ sung lỗ trống, dòng điện

B2

i

phải cấp cho cực gốc một

điện tích dương bằng

Qn

sau mỗi

b



giây,

b

n

B

Q

i



2  (5.6)

Điện tích các hạt thiểu số tích trữ trong vùng cực gốc,

Qn

có thể được tìm thấy bằng

cách tham khảo Hình 5.4. Rõ ràng

Qn

được miêu tả bởi diện tích hình tam giác dưới đường

thẳng phân bố trong cực gốc, do đó

Qn AEq np

(0)W

2

1

 

Thế

(0) np

từ Phương trình (5.1) và thay

np0

bằng

ni NA

/

2

BE VT

v

D

E i

n

e

N

A qWn Q

/

2

2



(5.7)

Qn

có thể thế vào Phương trình (5.6) để có

BE VT

v

b A

E i

B

e

N

A qWn i

/

2

2

2

1



 (5.8)

Kết hợp Phương trình (5.5) và (5.8) và sử dụng phương trình (5.4), ta có được biểu

thức tổng dòng điện cực gốc

B

i

BE VT

v

D p n b

A

n

p

B S

e

D

W

L

W

N

N

D

D

i I

/

2

2

1

















 



(5.9)

So sánh phương trình (5.3) và Phương trình (5.9), ta thấy rằng dòng

B

i

có thể được

biểu diễn theo một tỷ lệ của dòng

C

i

:



C

B

i

i  (5.10)

Nghĩa là

BE VT S v

B

e

I

i

/





















(5.11)

Trong đó



được cho bởi

















 

D p n b

A

n

p

D

W

L

W

N

N

D

D





2

2

1

1/

(5.12)

Từ đó ta thấy rằng



là một hằng số đối với một transistor cụ thể. Với các transistor

npn hiện đại,



nằm trong khoảng từ 50 đến 200. nhưng có thể bằng 1000 đối với các linh

kiện đặc biệt. Với những lý do đó sẽ trở lên sáng tỏ sau, hằng số



được gọi là hệ số khuếch

đại dòng điện common-emitơ.

Phương trình (5.12) chỉ ra rằng giá trị



bị ảnh hưởng lớn bởi hai yếu tố : độ rộng của

vùng cực gốc,

W

, và tỷ đối tạp chất trong vùng cực gốc và vùng cực phát (

NA ND

/

). Để có

được một hệ số



lớn ( điều này rất mong muốn vì



đặc trưng cho một thông số hệ số

khuếch đại), cực gốc nên mỏng (

W

nhỏ) và nồng độ tạp chất thấp cò n cực phát nồng độ tạp

chất lớn (làm cho

NA ND

/

nhỏ). Cuối cùng, ta lưu ý rằng các tranh luận đến nay đều với giả

thiết trong trường hợ p lý tưởng, trong đó



là một hằng số đối với một transistor nhất định.

Dòng điện cực phát Vì dòng điện đi vào transistor cần phải đi ra , nó có thể thấy được trong

Hình 5.3 dòng điện cực phát

E

i

bằng tổng của dòng điện cực góp

C

i

và dòng điện cực gốc

B

i

; nghĩa là,

E C B

i  i i (5.13)

Sử dụng Phương trình (5.10) và (5.13) đưa ra

E C

i i



 1

 (5.14)

Nghĩa là,

BE VT

v

E S

i I e

1 /



 



(5.15)

Ngoài ra, ta có thể biểu diễn Phương trình (5.14) ở dạng

C E

i i

(5.16)

Trong đó hằng số



liên hệ với



bởi

1









(5.17)

Do vậy dòng điện cực phát trong Phương trình (5.15) có thể được viết

BE VT

v

E S

i I e

/

 ( /)

(5.18)

Cuối cùng, ta có thể sử dụng Phương trình (5.17) để biểu diễn



theo



, đó là











1

(5.19)

Có thể thấy được từ Phương trình (5.17) ,



là một hằng số ( đối với một transistor cụ

thể), nó nhỏ hơn nhưng rất gần bằng một . Ví dụ, nếu

 100

thì

  0.99

. Phương trình

(5.19) chỉ ra một điều quan trọng là : Sự thay đổi nhỏ ở hệ số



tương ứng với mộ t sự thay

đổi lớn ở hệ số

 . Điều nhận xét về mặt toán học này phản ánh bản chất vật lý của nó , với kết

quả rằng các transistor cùng loại có thể có các giá trị



khác nhau lớn. Các nguyên nhân của

hiện tượng này sẽ được trình bày sau,



được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện bazơ

chung.

Cuối cùng, chúng ta nên lưu ý rằng vì hệ số khuếch đại



và



tiêu biểu cho hoạt

động của BJT trong chế độ tích cự c (ngược lại chế độ tích cực ngược , ta sẽ thảo luận sau),

Chúng thường kí hiệu là

F

và

 F

. Ta sẽ sử dụng



và

F

thay thế cho nhau và



và

 F

cũng tương tự.

Hình 5.5 Các mô hình mạch điện tương đương tín hiệu lớn của transistor npn hoạt động ở chế độ

tích cự c thuận.

Các mô hình mạch điện tóm tắt và tƣơng đƣơng Ta đã trình bày một kiểu mô hình đầu

tiên của transistor npn hoạt động ở chế độ tích cự c (hay chế độ phân cực thuận ). Nói chung,

điện áp phân cực thuận

BE v

tạo ra một dòng điện

C

i

quan hệ theo hàm số mũ chảy vào cực