Tìm hiểu về transistor lưỡng cực BJT

Giới thiệu về transistor

Transistor làm cho thế giới điện tử của chúng ta luôn thay đổi. Đây là một linh kiện bán dẫn vô cùng quan trọng và có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật điện tử. Chúng được phát minh vào năm 1947 bởi 2 nhà vật lý người Mỹ John Bardeen và Walter Brattain.

Transistor là chìa khóa cho hầu hết các hoạt động của các thiết bị điện tử hiện đại, từ các bộ vi xử lý cao cấp với hàng tỉ transistor trên mỗi cm2 cho tới những cục sạc điện thoại bạn vẫn dùng hàng này. Nhiều người coi nó là một trong những phát minh quan trọng nhất thế kỉ XX, sánh ngang với mạng Internet.

Trong bài viết này, tôi sẽ giới thiệu cho bạn những kiến thức cơ bản về một loại transistor được sử dụng phổ biến nhất: transistor lưỡng cực BJT (Bipolar Junction Transistor).

Với số lượng nhỏ, riêng biệt, các transistor có thể được sử dụng để tạo ra các công tắc điện tử đơn giản, logic số và các mạch khuếch đại tín hiệu. Với số lượng hàng ngàn, hàng triệu và thậm chí hàng tỷ, các transistor được kết nối với nhau và được nhúng vào các chip (IC) nhỏ để tạo ra các bộ nhớ máy tính, các bộ vi xử lý và các IC phức tạp khác.

Ký hiệu, cấu tạo và hoạt động

Ký hiệu

Transitor lưỡng cực BJT về cơ bản là linh kiện có 3 cực. Các chân của transistor được gắn nhãn là cực thu C (Collector), cực gốc B (Base) và cực phát E (Emitter). 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.

Các transistor dựa vào chất bán dẫn để làm nên kỳ diệu của chúng. Chất bán dẫn là một vật liệu không hoàn toàn là một chất dẫn điện thuần khiết (như dây đồng) nhưng cũng không phải là chất cách điện (như không khí). Độ dẫn điện của chất bán dẫn phụ thuộc vào các biến như nhiệt độ hoặc mật độ của các electron.

Mạch tương đương của transistor

Transistor giống như một phần mở rộng của một linh kiện bán dẫn khác: diode. Theo một cách nào đó, các transistor chỉ là hai diode với cực âm (hoặc cực dương) được gắn với nhau:

Ở đây, diode nối giữa cực gốc với cực phát là một diode quan trọng; nó khớp với hướng của mũi tên trên ký hiệu mạch của transistor, và cho bạn thấy hướng của dòng điện chạy qua transistor.

Chúng ta có thể tìm hiểu hoạt động của transistor dựa vào mạch tương đương ở trên, tuy nhiên nó không thật sự chính xác. Bạn không thể giải thích hoạt động của transistor dựa trên mạch tương đương đó (và đừng bao giờ cố gắng ráp mạch đó trên breadboard để thay thế cho transistor, nó sẽ không hoạt động). Có rất nhiều thứ ở cấp độ vật lý lượng tử kỳ lạ kiểm soát sự tương tác giữa ba chân của transistor.

(Mô hình này rất hữu ích nếu bạn cần kiểm tra transistor. Sử dụng chức năng kiểm tra diode (hoặc điện trở) trên đồng hồ vạn năng, bạn có thể đo qua các cực BE và BC để kiểm tra sự hiện diện của các “diode” đó.)

Cấu tạo và hoạt động

Các transistor lưỡng cực được chế tạo bằng cách xếp chồng ba lớp vật liệu bán dẫn khác nhau lại với nhau. Một số lớp trong số đó có các electron bổ sung được thêm vào (quá trình này được gọi là “pha tạp”) và các lớp khác đã loại bỏ các electron (pha tạp với “các lỗ trống”). Một vật liệu bán dẫn có thêm electron được gọi là chất bán dẫn loại n (n là viết tắt của negative vì các electron có điện tích âm) và vật liệu bị loại bỏ electron được gọi là loại chất bán dẫn loại p (p là viết tắt của positive). Các transistor được tạo ra bằng cách xếp xen kẽ chất bán dẫn loại n và chất bán dẫn loại p như hình dưới đây.

Chúng ta có thể nói các electron có thể dễ dàng di chuyển từ vùng n này sang vùng p, miễn là chúng có một lực nhỏ (điện áp) để đẩy chúng. Nhưng di chuyển từ vùng p sang vùng n thực sự khó khăn (đòi hỏi nhiều điện áp). Nhưng điều đặc biệt về một transistor – bộ phận làm cho mô hình hai diode của chúng ta trở nên lỗi thời – là thực tế là các electron có thể di chuyển dễ dàng từ cực gốc loại p đến cực thu loại n miễn là tiếp giáp giữa cực gốc và cực phát được phân cực thuận (có nghĩa là điện áp tại cực gốc cao hơn tại cực phát).

Transitor NPN được thiết kế để chuyển các electron từ cực phát sang cực thu (vì vậy dòng điện thông thường đi từ cực thu đến cực phát). Cực phát “phát” electron vào cực nền, cực gốc sẽ điều khiển số lượng electron mà cực phát phát ra. Hầu hết các electron được phát ra được “thu” bởi cực thu, cực thu sẽ gửi các electron này đến phần tiếp theo của mạch.

Transistor PNP hoạt động theo cách tương tự nhưng ngược lại. Cực gốc vẫn kiểm soát dòng điện chảy qua, nhưng dòng diện này chảy theo hướng ngược lại – từ cực phát đến cực thu. Thay vì các electron, cực phát phát ra các “lỗ trống” và các lỗ trống này được thu bởi cực thu.

Các transistor hoạt động giống như một van điện tử. Chân cực gốc giống như một tay cầm mà bạn có thể điều chỉnh để cho phép nhiều hoặc ít electron chuyển từ cực phát sang cực thu. Chúng ta hãy tìm hiểu thêm sự tương tự này trong phần tiếp theo …

Mở rộng sự tương tự nước

Nếu bạn đã đọc rất nhiều các bài viết về khái niệm điện, có lẽ bạn đã quen với sự tương tự nước. Chúng ta có thể nói rằng dòng điện tương tự như tốc độ dòng chảy của nước, điện áp là áp lực đẩy nước qua một đường ống và điện trở là chiều rộng của đường ống.

Không có gì đáng ngạc nhiên, sự tương tự nước cũng có thể được mở rộng sang các transistor: hoạt động của một transistor giống như một van nước – một bộ phận chúng ta có thể sử dụng để điều khiển tốc độ dòng chảy.

Có ba trạng thái chúng ta có thể sử dụng một van, mỗi trạng thái có một ảnh hưởng khác nhau đến tốc độ dòng chảy trong một hệ thống.

1) Dẫn — Ngắn mạch

Khi van được mở hoàn toàn, cho phép dòng nước chảy qua tự do như thể van không có mặt.

Tương tự như vậy, trong các trường hợp phù hợp, một transistor có thể xem như ngắn mạch giữa chân cực thu và cực phát (transistor dẫn hoàn toàn). Dòng điện chạy tự do qua cực thu, và đi ra cực phát.

2) Tắt — Hở mạch

Khi van được đóng lại, nó có thể hoàn toàn ngăn chặn dòng chảy của nước.

Theo cách tương tự, một transistor có thể được xem như hở mạch giữa các chân cực thu và cực phát (transistor tắt hoàn toàn).

3) Điều khiển dòng chảy tuyến tính

Với một sự điều chỉnh chính xác, một van có thể được điều chỉnh để điều khiển tốt tốc độ dòng chảy đến một số điểm giữa trạng thái mở hoàn toàn và đóng.

Một transistor có thể làm điều tương tự – điều khiển tuyến tính dòng điện qua một mạch tại một số điểm giữa trạng thái tắt hoàn toàn (hở mạch) và dẫn hoàn toàn (ngắn mạch).

Từ sự tương tự nước của chúng ta, chiều rộng của một đường ống tương tự như điện trở trong mạch. Nếu một van có thể điều chỉnh tốt độ rộng của đường ống, thì một transistor có thể điều chỉnh tốt điện trở giữa bộ thu và bộ phát. Vì vậy, theo một cách nào đó, một transistor giống như một điện trở có thể điều chỉnh được.

Các chế độ hoạt động

Không giống như điện trở, một linh kiện thực thi mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp và dòng điện, transistor là linh kiện phi tuyến tính. Chúng có bốn chế độ hoạt động riêng biệt khi mô tả dòng điện chạy qua chúng. (Khi chúng ta nói về dòng điện qua transistor, chúng ta thường hiểu là dòng điện chạy từ cực thu đến cực phát đối với transistor loại NPN)

Bốn chế độ hoạt động của transistor là:

• Bảo hòa (Saturation) — Transistor hoạt động giống như ngắn mạch. Dòng điện chảy tự do từ cực thu đến cực phát.
• Ngắt/Ngưng dẫn (Cut-off) — Transistor hoạt động giống như hở mạch. Không có dòng điện chảy từ cực thu đến cực phát.
• Tích cực/Khuếch đại (Active) — Dòng điện từ cực thu đến cực phát tỷ lệ thuận với dòng điện chạy vào cực nền.
• Tích cực ngược (Reverse-Active) — Giống như chế độ khuếch đại, dòng điện tỷ lệ với dòng cực gốc, nhưng theo chiều ngược lại. Dòng điện chảy từ cực phát đến cực thu.

Để xác định chế độ hoạt động của một transistor, chúng ta cần xem xét các điện áp trên ba chân của transistor và chúng liên quan với nhau như thế nào. Các điện áp giữa cực gốc và cực phát (VBE) và giữa cực nền với cực thu (VBC) sẽ thiết lập chế độ hoạt động của transistor:

Biểu đồ góc phần tư được đơn giản hóa ở trên cho thấy mức điện áp dương và âm tại các cực ảnh hưởng đến chế độ hoạt động của transistor như thế nào. Trong thực tế, nó phức tạp hơn thế một chút.

Chúng ta hãy xem xét tất cả bốn chế độ hoạt động của transistor; chúng ta sẽ tìm hiểu làm thế nào để đưa transistor vào chế độ đó và ảnh hưởng của nó đến dòng điện.

Lưu ý: Phần lớn nội dung trong bài viết này tập trung vào các transistor NPN. Để hiểu cách thức hoạt động của transistor  PNP, chỉ cần đảo ngược cực tính hoặc đổi các dấu > và <.

Chế độ bảo hòa

Bảo hòa là chế độ dẫn của một transistor. Transistor hoạt động ở chế độ bảo hòa giống như ngắn mạch giữa cực thu và cực phát.

Trong chế độ bão hòa, cả hai “diode” trong transistor đều được phân cực thuận. Điều đó có nghĩa là điện áp giữa cực gốc và cực phát (VBE) phải lớn hơn 0 và điện áp giữa cực gốc và cực thu (VBC) cũng phải như vậy. Nói cách khác, điện thế VB phải cao hơn cả điện thế VE và VC.

VB > VC

VB > VE

Bởi vì tiếp giáp giữa cực gốc và cực phát trông giống như một diode, trong thực tế, VBE phải lớn hơn điện áp ngưỡng để đi vào trạng thái bão hòa. Có nhiều chữ viết tắt cho điện áp ngưỡng này – Vth, Vγ hoặc Vd – và giá trị thực tế của điện áp ngưỡng có giá trị khác nhau tùy theo loại transistor. Đối với nhiều transistor (ở nhiệt độ phòng), chúng ta có thể ước tính điện áp ngưỡng này là khoảng 0,6V.

Một thông số thực tế khác: sẽ không có sự dẫn truyền hoàn hảo giữa cực phát và cực thu. Vì vậy, một sự sụt giảm điện áp nhỏ sẽ hình thành giữa các cực này. Các datasheet của transistor sẽ định nghĩa điện áp này là điện áp bão hòa VCE(sat) – điện áp giữa cực thu và cực phát khi transistor dẫn bão hòa. Giá trị này thường khoảng 0,05-0,2V. Giá trị này có nghĩa là VC phải lớn hơn VE một chút (nhưng cả hai vẫn nhỏ hơn VB) khi transistor hoạt động ở chế độ bão hòa.

Chế độ ngắt/ngưng dẫn

Chế độ ngắt hay ngưng dẫn là ngược lại với chế độ bão hòa. Transistor ở chế độ ngưng dẫn là tắt – không có dòng điện chạy qua cực thu, và do đó không có dòng điện qua cực phát. Nó gần giống như một mạch mở.

Để transistor hoạt động ở chế độ ngững dẫn, điện thế cực gốc phải nhỏ hơn cả điện thế cực phát và cực thu. VBC và VBE đều phải âm.

VC > VB

VE > VB

Trong thực tế, VBE có giá trị nằm trong khoảng từ 0V đến Vth (~ 0,6V) khi hoạt động ở chế độ ngưng dẫn.

Chế độ tích cực/khuếch đại

Để hoạt động ở chế độ khuếch đại, điện áp VBE của transistor phải lớn hơn 0 và điện áp VBC phải âm. Vì vậy, điện thế cực gốc phải nhỏ hơn cực thu, nhưng lớn hơn cực phát. Điều đó cũng có nghĩa là điện thế cực thu phải lớn hơn điện thế cực phát.

VC > VB > VE

Trong thực tế, chúng ta cần điện áp thuận khác 0 (viết tắt là Vth, Vγ hoặc Vd) giữa cực nền và cực phát (VBE) để làm cho transistor dẫn điện. Thông thường điện áp này có giá trị khoảng khoảng 0,6V.

Khuếch đại trong chế độ tích cực

Đây là chế độ thông dụng của transistor trong các mạch điện tử tương tự. Nó biến linh kiện này thành một bộ khuếch đại. Dòng điện đi vào chân gốc được khuếch đại trở thành dòng điện đi vào cực thu và đi ra cực phát.

Chúng ta sử dung ký hiệu viết tắt của độ lợi dòng (hệ số khuếch đại dòng điện) của một transistor là β (bạn cũng có thể thấy nó được ký hiệu là βF, hoặc hFE). β quan hệ tuyến tính giữa dòng cực thu (IC) với dòng cực nền (IB):

IC = βIB

Giá trị thực tế của β thay đổi theo transistor. Nó thường khoảng 100, nhưng có thể dao động từ 50 đến 200 … thậm chí 2000, tùy thuộc vào loại transistor mà bạn đang sử dụng và dòng điện chạy qua nó. Ví dụ, nếu transistor của bạn có 100, điều đó có nghĩa là dòng điện ngõ vào 1mA vào cực nền có thể tạo ra dòng điện 100mA qua cực thu.

Dòng điện cực phát, IE thì như thế nào? Trong chế độ tích cực, dòng cực thu và dòng cực gốc đi vào linh kiện còn dòng IE thì đi ra. Để cho thấy quan hệ dòng cực phát với dòng cực thu, chúng ta có một giá trị không đổi khác: α. α là độ lợi dòng gốc chung, nó liên quan đến các dòng như sau:

IC = αIE

α thường xấp xỉ, nhưng nhỏ hơn, 1. Điều đó có nghĩa là IC xấp xỉ, nhưng nhỏ hơn IE ở chế độ tích cực.

Bạn có thể sử dụng β để tính toán α hoặc ngược lại:

β = α/(1-α)

α = β/(β+1)

Ví dụ, nếu β là 100, điều đó có nghĩa là α là 0,99. Vì vậy, nếu IC là 100mA thì IE là 101mA.

Tích cực ngược

Giống như chế độ bão hòa ngược lại với chế độ ngưng dẫn, chế độ tích cực ngược ngược lại với chế độ khuếch đại. Một transistor hoạt động ở chế độ tích cực ngược dẫn điện, thậm chí khuếch đại, nhưng dòng điện chạy theo hướng ngược lại, từ cực phát đến cực thu. Nhược điểm của chế độ tích cực ngược là β (βR trong trường hợp này) nhỏ hơn nhiều.

Để làm cho transistor hoạt động ở chế độ tích cực ngược, điện thế cực phát phải lớn hơn cực gốc và điện thế cực gốc phải lớn hơn điện thế cực thu (VBE <0 và VBC> 0).

VC < VB < VE

Chế độ tích cực ngược thường không phải là trạng thái mà bạn muốn lái một transistor. Chúng ta cũng nên biết trạng thái hoạt động này của transistor, nhưng nó hiếm khi được thiết kế thành một ứng dụng.

Nguyên tắc khuếch đại của transistor 
Xét sơ đồ CB như hình 1.15.

Theo đặc tuyến vào và đặc tuyến ra của CB ta có thể rút ra nhận xét:
điện trở vào của cách mắc CB rất nhỏ (khoảng 10~100Ω) và điện trở ra rất lớn (50 kΩ ~ 1MΩ).

Trong sơ đó hình 1.15 ta chọn transistor có điện trở vào Rv= 20Ω điện trở ra Rr = 100kΩ.

Dòng điện vào: Iv=Uv/Rv=200mV/20Ω=10mA
Giả sử αac=1 (Ie=Ic) thì Iv = Ir = 10mA
Khi đó điện áp ra sẽ là: Ur = Ir . Rr= 10.10=100V
Vậy hệ số khuếch đai điện áp: Ku=Ur/Uv=100V/200mV=500

Như vậy, nguyên tắc khuếch đại ở đây chính là việc truyền đạt dòng điện từ mạch điện trở thấp sang mạch điện trở cao. Chính vì vậy, transistor là từ ghép từ hai từ tiếng Anh : transfer (truyền đạt) và resistor (điện trở).

Các tham số giới hạn
Đối với mỗi transistor có một vùng làm việc trên đặc tuyến ra. Nếu transistor hoạt động trong vùng này sẽ có tỷ lệ tín hiệu ra trên tín hiệu vào là lớn nhất với độ méo nhỏ nhất. Vùng này sẽ bị giới hạn bởi một vài tham số như : dòng  IC lớn nhất ICmax, điện áp UCE lớn nhất UCEmax (đối với cách mắc EC).

Đối với transistor có đặc tuyến ra như hình 1.16: ICmax = 50mA, UCEmax = 20V.
Đường UCEbh trên đặc tuyến là giá trị nhỏ nhất của UCE, thông thường UCEbh = 0,3 V.
Công suất tiêu hao lớn nhất được định nghĩa:
PCmax = UCE.IC
Với transistor cho trên hình 1.16 thì PCmax=30mW.

Ta có thể vẽ đường cong công suất trên đặc tuyến ra bằng cách chọn một vài điểm thoả mãn UCE.IC = 300mW.

Ví dụ, chọn IC= ICmax= 50mA suy ra UCE = 6V. Chọn UCE =UCEmax = 20V, suy ra IC = 15mA. Nếu chọn IC nằm giữa hai khoảng trên, IC = 25mA thì UCE= 12V. Với 3 điểm trên ta có thể vẽ được đường cong công suất (có thể lấy thêm các điểm khác).
Như vậy, vùng hoạt động của transistor bị giới hạn bởi các tham số:

Chú ý: đối với cách mắc CB thì PCmax = UCB. IC

Liên quan đến transistor PNP

Transistor PNP hoạt động rất giống với transistor NPN – chúng cũng có bốn chế độ hoạt động – nhưng tất cả mọi thứ đều bị đảo ngược lại. Để tìm ra chế độ hoạt động của transistor PNP, hãy đảo ngược tất cả các dấu < và >.

Ví dụ, để đưa transistor PNP vào chế độ bão hòa VC và VE phải cao hơn VB. Bạn đưa cực gốc xuống thấp để transistor PNP dẫn và làm cho điện áp này cao hơn điện áp ở cực thu và cực phát để tắt transistor. Và, để đưa PNP vào chế độ tích cực, điện áp VE phải cao hơn điện áp VB và VB phải cao hơn VC.

Tóm tắt:

Một đặc điểm khác nhau giữa transistor NPN và PNP là chiều của dòng điện. Trong chế độ khuếch đại và bão hòa, dòng điện trong transistor PNP chảy từ cực phát đến cực thu. Điều này có nghĩa là cực phát thường phải có điện thế cao hơn cực thu.

Nếu bạn đã tiếp thu hết những kiến thức mang tính lý thuyết trong bài viết này, hãy theo dõi bài viết tiếp theo. Cách tốt nhất để tìm hiểu làm thế nào một transistor hoạt động là kiểm tra nó trong các mạch ứng dụng thực tế.