Tất Tần Tật Transistor lưỡng cực

Nhìn vào bất kỳ thiết bị điện tử nào, bạn sẽ thấy những “chuyên gia” vô cùng quan trọng có tên gọi “Transistor lưỡng cực” hay Bipolar Junction Transistor (BJT). Chúng là những nhân tố chủ chốt, vừa có thể biến đổi và tăng cường tín hiệu, vừa có khả năng điều khiển dòng điện, góp phần làm nên cơ sở của nền tảng điện tử. Bài viết này sẽ khám phá về Transistor lưỡng cực – một thành tựu vĩ mô trong ngành điện tử, tạo nên những ứng dụng thú vị từ viễn thông đến điện tử số, và cách chúng đã thay đổi cuộc sống của chúng ta. Hãy cùng tham khảo với hocdientu.vn !

I. Giới thiệu về Transistor lưỡng cực

1. Giới thiệu về Transistor lưỡng cực (BJT)

Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor – BJT) là một loại linh kiện bán dẫn quan trọng trong ngành điện tử. Nó được phát minh bởi William Shockley, John Bardeen và Walter Brattain vào năm 1947 tại Bell Telephone Laboratories, Mỹ. Transistor lưỡng cực có khả năng điều khiển dòng điện thông qua ba chân kết nối của nó và hoạt động như một công tắc hoặc bộ khuếch đại tín hiệu.

Trong thiết bị Transistor lưỡng cực, có ba lớp vật liệu bán dẫn được ghép lại để tạo thành hai chi tiết pn-junction (kết hợp giữa lớp bán dẫn dương và lớp bán dẫn âm). Điểm giao giữa hai chi tiết pn-junction này được gọi là base. Transistor lưỡng cực có thể là loại NPN hoặc PNP, dựa vào sắp xếp vật liệu bán dẫn trong cấu trúc của nó.

2. Khả năng chuyển đổi và tăng cường tín hiệu của BJT

Transistor lưỡng cực có hai chức năng quan trọng trong ngành điện tử: chuyển đổi và tăng cường tín hiệu.

• Chức năng chuyển đổi: Khi một tín hiệu nhỏ được áp dụng vào chân cơ sở của Transistor lưỡng cực, nó có thể hoạt động như một công tắc. Khi tín hiệu cơ sở là không, Transistor ở chế độ cắt (cut-off), không cho dòng điện chạy qua. Nhưng khi tín hiệu cơ sở được áp dụng, Transistor chuyển sang chế độ bão hòa (saturation), cho phép dòng điện lớn chạy qua giữa các chân thu và phát.

Điều này cho phép Transistor lưỡng cực được sử dụng trong các ứng dụng như chuyển đổi mạch điện, vi mạch và bộ xử lý. Với khả năng chuyển đổi nhanh chóng và hiệu quả, Transistor lưỡng cực đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các mạch điện tử.

• Chức năng tăng cường tín hiệu: Transistor lưỡng cực có khả năng tăng cường tín hiệu điện. Khi một tín hiệu điện nhỏ được áp dụng vào chân cơ sở, Transistor lưỡng cực sẽ tạo ra dòng điện lớn hơn đi vào chân cơ sở. Điều này gọi là dòng điện gia tăng và có thể được điều khiển bởi tín hiệu cơ sở.

Quá trình tăng cường tín hiệu này cho phép Transistor lưỡng cực được sử dụng trong các mạch khuếch đại tín hiệu âm thanh và điện tử. Nó làm cho Transistor lưỡng cực trở thành thành phần quan trọng trong các thiết bị như bộ khuếch đại âm thanh, mạch đèn hiển thị và điện tử hiện đại.

Trên hết, Transistor lưỡng cực là một công nghệ cực kỳ quan trọng trong ngành điện tử và đã đóng góp rất lớn vào sự phát triển của các thiết bị và ứng dụng công nghệ hiện đại. Từ viễn thông đến vi xử lý, Transistor lưỡng cực đã thay đổi cách chúng ta tương tác với thế giới xung quanh và mang lại những tiện ích tuyệt vời cho cuộc sống hàng ngày của chúng ta.

II. Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của Transistor lưỡng cực

1. Cấu trúc cơ bản của BJT

Transistor lưỡng cực được cấu tạo từ ba lớp vật liệu bán dẫn, thông thường là silic và một số hợp chất bán dẫn khác. Cấu trúc cơ bản của BJT gồm ba chân kết nối: Emitter (Chân thu), Base (Chân cơ sở) và Collector (Chân phát).

• Emitter (Chân thu): Là lớp bán dẫn có tính chất âm, dòng điện chảy từ chân này ra bên ngoài điện trở hoặc tải. Nó là nguồn cung cấp dòng điện vào Transistor.
• Base (Chân cơ sở): Là lớp bán dẫn nhỏ và mỏng nằm giữa Emitter và Collector. Chân này kiểm soát dòng điện dòng vào Transistor. Khi một tín hiệu nhỏ được áp dụng vào Base, nó kiểm soát dòng điện chảy giữa Emitter và Collector.
• Collector (Chân phát): Là lớp bán dẫn có tính chất dương, dòng điện chảy vào chân này từ Emitter. Dòng điện đi vào chân này được điều khiển bởi tín hiệu cơ sở áp dụng vào Base.

2. Khả năng điều khiển dòng điện của BJT

Khả năng điều khiển dòng điện của Transistor lưỡng cực là một trong những tính năng quan trọng của nó. Khi một dòng nhỏ được áp dụng vào chân Base, Transistor sẽ cho phép dòng lớn hơn chảy qua kết nối Collector và Emitter. Quá trình này được gọi là khả năng điều khiển dòng điện gia tăng (current amplification).

Điều này cho phép Transistor lưỡng cực hoạt động như một bộ khuếch đại tín hiệu điện. Một dòng nhỏ vào chân cơ sở có thể kiểm soát dòng điện lớn chảy qua chân Emitter và Collector, tạo ra một khuếch đại dòng hiệu quả.

3. Các vùng hoạt động của Transistor lưỡng cực

Transistor lưỡng cực có ba vùng hoạt động chính, dựa vào cường độ và hướng dòng điện chảy trong các chân kết nối.

• Vùng hoạt động chế độ kích hoạt (Active Region): Trong vùng hoạt động này, Transistor lưỡng cực hoạt động như một bộ khuếch đại tín hiệu. Dòng điện đi vào chân Base được khuếch đại và cho phép dòng lớn hơn chảy ra từ chân Collector. Điều này cho phép Transistor lưỡng cực hoạt động như một bộ khuếch đại tín hiệu hoặc một thành phần chuyển đổi tín hiệu.
• Vùng hoạt động chế độ bão hòa (Saturation Region): Trong vùng hoạt động này, Transistor lưỡng cực hoạt động như một công tắc bật tắt. Dòng điện đi vào chân Base đủ lớn để kích hoạt Transistor, cho phép dòng điện lớn chảy qua chân Collector và Emitter. Transistor hoạt động ở chế độ “bão hòa” khiến cho nó dễ dàng chuyển trạng thái từ tắt sang bật và ngược lại.
• Vùng hoạt động cắt (Cut-off Region): Trong vùng hoạt động này, Transistor lưỡng cực không cho phép dòng điện chảy qua từ chân Collector đến chân Emitter. Khi không có dòng điện vào chân Base hoặc dòng điện vào chân Base quá nhỏ, Transistor sẽ ở trạng thái cắt, không cho phép dòng điện chạy qua.

III. Loại hình kết nối của Transistor lưỡng cực

A. Transistor mắc theo kiểu B Chung (Common Base Configuration)

Đặc điểm và ưu nhược điểm:

Kết nối cơ sở chung là một trong ba loại kết nối chính của Transistor lưỡng cực. Trong kết nối này, chân cơ sở (Base) của Transistor lưỡng cực được chia sẻ chung với cả tín hiệu vào và tín hiệu ra. Cụ thể, tín hiệu vào được áp dụng giữa chân Emitter và chân Base, trong khi tín hiệu ra được lấy từ chân Collector và chân Base.

Đặc điểm của kết nối cơ sở chung là:

• Khả năng tăng cường dòng điện: Kết nối cơ sở chung có thể tăng cường dòng điện đầu ra, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khuếch đại dòng điện.
• Khả năng phản hồi cao tần số: Kết nối này có khả năng xử lý tín hiệu với tần số cao, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng với tần số cao như viễn thông và radio.
• Độ ổn định nhiệt cao: Transistor trong kết nối cơ sở chung có thể giữ được độ ổn định nhiệt tốt.

Tuy nhiên, kết nối cơ sở chung cũng có một số nhược điểm:

• Độ dễ dàng bị nhiễu cao: Kết nối này dễ bị nhiễu từ môi trường bên ngoài, do tín hiệu vào và ra chia sẻ cùng một chân cơ sở.
• Độ khuếch đại điện áp thấp: Kết nối cơ sở chung thường có độ khuếch đại điện áp thấp hơn so với các kết nối khác, làm cho nó không phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi khuếch đại điện áp cao.

Trong Kiểu mắc Common Base hoặc Kiểu mắc nền cơ bản, như tên gọi đã gợi ý, kết nối BASE là chung cho cả tín hiệu đầu vào VÀ tín hiệu đầu ra. Tín hiệu đầu vào được áp dụng giữa cực base và cực emitter của transistor, trong khi tín hiệu đầu ra tương ứng được lấy từ giữa cực base và cực collector như đã thể hiện. Cực base được nối đất hoặc có thể được kết nối với một điểm điện áp tham chiếu cố định.

Dòng điện đầu vào chảy vào cực emitter khá lớn vì nó là tổng của cả dòng cơ sở và dòng thu thập tương ứng, do đó, dòng điện thu thập đầu ra nhỏ hơn dòng điện cơ sở đầu vào dẫn đến một hiệu suất khuếch đại dòng cho loại mạch này là “1” (đơn vị) hoặc thấp hơn, nói cách khác, Kiểu mắc nền cơ bản “giảm đi” tín hiệu đầu vào.

Kiểu mắc khuếch đại này là một mạch khuếch đại điện áp không đảo, có nghĩa là các điện áp tín hiệu Vin và Vout “đồng pha”. Kiểu mắc transistor loại này không phổ biến do đặc tính khuếch đại điện áp không bình thường của nó. Tính chất đầu vào của nó đại diện cho một diode bán dẫn được bias tiến, trong khi tính chất đầu ra đại diện cho một diode quang chiếu sáng.

Ngoài ra, Kiểu mắc transistor bipolar loại này có tỷ lệ cao giữa trở kháng đầu ra và đầu vào hoặc quan trọng hơn là trở kháng “tải” (RL) đến trở kháng “đầu vào” (Rin) cho nó một giá trị “tăng trở kháng”. Vậy nên, khuếch đại điện áp (Av) cho Kiểu mắc B chung được xác định như sau:

Ở đây, Ic/Ie là hệ số khuếch đại dòng, alpha (α) và RL/Rin là hệ số khuếch đại trở kháng.

Mạch B chung thường chỉ được sử dụng trong các mạch khuếch đại một giai đoạn như bộ tiền khuếch đại microphone hoặc khuếch đại tần số cao (RF) trong các bộ khuếch đại tần số vì nó có đáp ứng tần số cao rất tốt.

B. Transistor mắc theo kiểu E chung (Common Emitter Configuration)

Đặc điểm và ưu nhược điểm:

Kết nối điểm phát chung là một kết nối phổ biến của Transistor lưỡng cực. Trong kết nối này, chân Emitter của Transistor lưỡng cực chia sẻ chung với cả tín hiệu vào và tín hiệu ra. Tín hiệu vào được áp dụng giữa chân cơ sở và chân Emitter, trong khi tín hiệu ra được lấy từ chân cơ sở và chân Collector.

Đặc điểm của kết nối điểm phát chung là:

• Khả năng khuếch đại tín hiệu: Kết nối điểm phát chung có khả năng khuếch đại tín hiệu vào với độ khuếch đại lớn, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng khuếch đại tín hiệu âm thanh và video.
• Độ phản hồi trung bình tần số: Kết nối này có độ phản hồi tần số trung bình, phù hợp cho các ứng dụng thông tin với tần số trung bình.

Tuy nhiên, kết nối điểm phát chung cũng có một số nhược điểm:

• Điện trở đầu vào thấp: Kết nối điểm phát chung có điện trở đầu vào thấp, làm cho nó dễ bị tác động bởi nhiễu bên ngoài.
• Điện trở đầu ra cao: Kết nối này có điện trở đầu ra cao, làm cho nó không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu điện trở đầu ra thấp.

Trong Kiểu mắc Common Emitter hoặc E chung, tín hiệu đầu vào được áp dụng giữa cực base và cực emitter, trong khi tín hiệu đầu ra được lấy từ giữa cực collector và cực emitter như đã thể hiện. Loại Kiểu mắc này là mạch phổ biến nhất được sử dụng cho các bộ khuếch đại dựa trên transistor và đại diện cho phương pháp “bình thường” của kết nối transistor bipolar.

Kiểu mắc khuếch đại bộ khuếch đại E chung tạo ra tỷ lệ khuếch đại dòng và công suất cao nhất trong ba Kiểu mắc transistor bipolar. Điều này chủ yếu là do trở kháng đầu vào THẤP khi nó được kết nối với một PN-junction bias tiến, trong khi trở kháng đầu ra CAO khi nó được lấy từ một PN-junction bias ngược.

Trong loại Kiểu mắc này, dòng chảy ra khỏi transistor phải bằng tổng dòng chảy vào transistor, do đó dòng emitter được cho là Ie = Ic + Ib.

Vì trở kháng tải (RL) được kết nối nối tiếp với cực collector, hệ số khuếch đại dòng của Kiểu mắc transistor nền cơ bản khá lớn vì nó là tỷ lệ Ic/Ib. Hệ số khuếch đại dòng của transistor được đại diện bằng ký hiệu tiếng Hy Lạp Beta, (β).

Vì dòng emitter cho Kiểu mắc nền cơ bản được xác định là Ie = Ic + Ib, tỷ lệ Ic/Ie được gọi là Alpha, với ký hiệu tiếng Hy Lạp là α. Lưu ý: giá trị của Alpha luôn luôn nhỏ hơn đơn vị.

Vì mối quan hệ điện giữa ba dòng này, Ib, Ic và Ie được xác định bởi cấu trúc vật lý của chính transistor, bất kỳ thay đổi nhỏ nào trong dòng cơ sở (Ib) sẽ dẫn đến một thay đổi lớn hơn trong dòng thu thập (Ic).

Khi đó, các thay đổi nhỏ trong dòng chảy vào cơ sở sẽ kiểm soát dòng điện trong mạch emitter-collector. Thông thường, Beta có giá trị từ 20 đến 200 cho hầu hết các transistor thông dụng. Vì vậy, nếu một transistor có giá trị Beta là 100, thì một electron sẽ chảy ra khỏi cực base cho mỗi 100 electron chảy giữa cực emitter-collector.

Bằng cách kết hợp các biểu thức cho cả Alpha, α và Beta, β, mối quan hệ toán học giữa các thông số này và do đó hệ số khuếch đại dòng của transistor có thể được xác định là:

Trong đó “Ic” là dòng chảy vào cực thu thập, “Ib” là dòng chảy vào cực cơ sở và “Ie” là dòng chảy ra khỏi cực emitter.

Tóm tắt một chút. Kiểu mắc transistor bipolar loại này có trở kháng đầu vào, dòng và khuếch đại công suất lớn hơn so với Kiểu mắc nền cơ bản nhưng khuếch đại điện áp của nó thấp hơn rất nhiều. Kiểu mắc nền cơ bản là một mạch khuếch đại điện áp đảo. Điều này có nghĩa là tín hiệu đầu ra có pha lệch 180o liên quan đến tín hiệu điện áp đầu vào

C. Transistor mắc theo kiểu C chung (Common Collector Configuration)

Đặc điểm và ưu nhược điểm:

Kết nối thu phát chung, còn được gọi là kết nối emitor follower, là một trong ba kết nối chính của Transistor lưỡng cực. Trong kết nối này, chân Collector của Transistor lưỡng cực chia sẻ chung với cả tín hiệu vào và tín hiệu ra. Tín hiệu vào được áp dụng giữa chân Base và chân Collector, trong khi tín hiệu ra được lấy từ chân Base và chân Emitter.

Đặc điểm của kết nối thu phát chung là:

• Điện trở đầu vào cao: Kết nối thu phát chung có điện trở đầu vào cao, làm cho nó ít bị tác động bởi nhiễu bên ngoài.
• Điện trở đầu ra thấp: Kết nối này có điện trở đầu ra thấp, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu điện trở đầu ra thấp.
• Độ khuếch đại điện áp trung bình: Kết nối này có độ khuếch đại điện áp trung bình.

Tuy nhiên, kết nối thu phát chung cũng có một số nhược điểm:

• Khả năng khuếch đại dòng thấp: Kết nối thu phát chung có khả năng khuếch đại dòng điện thấp hơn so với các kết nối khác.
• Độ phản hồi cao tần số thấp: Kết nối này có độ phản hồi tần số thấp hơn so với các kết nối khác.

Trong Kiểu mắc Common Collector hoặc Kiểu mắc C chung , cực collector được kết nối với mát đất thông qua nguồn cấp, do đó, cực collector chung cho cả tín hiệu đầu vào và đầu ra. Tín hiệu đầu vào được kết nối trực tiếp vào cực base, trong khi tín hiệu đầu ra được lấy từ phía còn lại của trở tải emitter như đã thể hiện. Loại Kiểu mắc này thường được gọi là mạch “Voltage Follower” hoặc “Emitter Follower”.

Kiểu mắc Common Collector, hay Emitter Follower, rất hữu ích cho các ứng dụng phù hợp trở kháng do có trở kháng đầu vào rất cao, trong khoảng hàng trăm ngàn Ohm, trong khi có trở kháng đầu ra tương đối thấp.

Kiểu mắc Common Collector có hệ số khuếch đại dòng xấp xỉ bằng giá trị β của chính transistor. Tuy nhiên, trong Kiểu mắc Common Collector, trở kháng tải được kết nối nối tiếp với cực emitter nên dòng điện của nó bằng với dòng emitter.

Vì dòng emitter là tổ hợp của cả dòng collector và dòng cơ sở kết hợp, nên trở kháng tải trong loại Kiểu mắc transistor này cũng có cả dòng collector và dòng cơ sở đi qua. Sau đó, hệ số khuếch đại dòng của mạch được cho là:

Loại Kiểu mắc transistor bipolar này là một mạch không đảo trong đó các điện áp tín hiệu của Vin và Vout “đồng pha”. Kiểu mắc Common Collector có khuếch đại điện áp xấp xỉ “1” (khuếch đại đơn vị). Vì vậy, nó có thể được coi như một bộ đệm điện áp vì khuếch đại điện áp là đơn vị.

Trở kháng tải của transistor Common Collector nhận cả dòng cơ sở và dòng thu thập, cung cấp một hệ số khuếch đại dòng lớn (như Kiểu mắc Common Emitter) do đó, cung cấp khuếch đại dòng tốt với rất ít khuếch đại điện áp.

Sau khi xem xét ba loại Kiểu mắc transistor bipolar khác nhau, chúng ta có thể tóm tắt các mối quan hệ khác nhau giữa các dòng DC riêng lẻ của transistor chảy qua mỗi chân và các hệ số khuếch đại DC của nó được cho ở trên trong bảng sau đây.

Mối quan hệ giữa dòng điện và độ lợi :

Lưu ý rằng mặc dù chúng ta đã xem xét các cấu hình Transistor Bipolar NPN ở đây, Transistor PNP cũng hoàn toàn có thể được sử dụng trong mỗi cấu hình với các tính toán tương tự, như trong trường hợp không đảo của tín hiệu đã khuếch đại. Sự khác biệt duy nhất sẽ nằm ở cực áp và hướng dòng điện.

Với các đặc tính tổng quát của các cấu hình transistor khác nhau được cung cấp trong bảng sau đây:

Transistor lưỡng cực không chỉ là một thành tựu vĩ mô đa chức năng trong lĩnh vực điện tử mà còn đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong sự phát triển của xã hội hiện đại. Từ viễn thông đến điện tử số, từ các ứng dụng công nghiệp đến dân dụng, Transistor lưỡng cực đã góp phần đem lại những tiến bộ lớn và biến đổi cuộc sống của chúng ta.