0.4 Transitor lưỡng cực (bipolar junction transistor - bjt)

CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA BJT.

Transistor lưỡng cực gồm có hai mối P-N nối tiếp nhau, được phát minh năm 1947 bởi hai nhà bác học W.H.Britain và J.Braden, được chế tạo trên cùng một mẫu bán dẫn Germanium hay Silicium.

Cực phátEEmitterB Cực nền (Base)n+ pn-Cực thuCCollecterECBTransistor PNPCực phátEEmitterB Cực nền (Base)p+ np-Cực thuCCollecterECBTransistor NPNHình 1Hình sau đây mô tả cấu trúc của hai loại transistor lưỡng cực PNP và NPN.

Ta nhận thấy rằng, vùng phát E được pha đậm (nồng độ chất ngoại lai nhiều), vùng nền B được pha ít và vùng thu C lại được pha ít hơn nữa. Vùng nền có kích thước rất hẹp (nhỏ nhất trong 3 vùng bán dẫn), kế đến là vùng phát và vùng thu là vùng rộng nhất. Transistor NPN có đáp ứng tần số cao tốt hơn transistor PNP. Phần sau tập trung khảo sát trên transistor NPN nhưng đối với transistor PNP, các đặc tính cũng tương tự.

Transistor ở trạng thái chưa phân cực.

Ta biết rằng khi pha chất cho (donor) vào thanh bán dẫn tinh khiết, ta được chất bán dẫn loại N. Các điện tử tự do (còn thừa của chất cho) có mức năng lượng trung bình ở gần dải dẫn điện (mức năng lượng Fermi được nâng lên). Tương tự, nếu chất pha là chất nhận (acceptor), ta có chất bán dẫn loại P. Các lỗ trống của chất nhận có mức năng lượng trung bình nằm gần dải hoá trị hơn (mức năng lượng Fermi giảm xuống).

Khi nối P-N được xác lập, một rào điện thế sẽ được tạo ra tại nối. Các điện tử tự do trong vùng N sẽ khuếch tán sang vùng P và ngược lại, các lỗ trống trong vùng P khuếch tán sang vùng N. Kết quả là tại hai bên mối nối, bên vùng N là các ion dương, bên vùng P là các ion âm. Chúng đã tạo ra rào điện thế.

Hiện tượng này cũng được thấy tại hai nối của transistor. Quan sát vùng hiếm, ta thấy rằng kích thước của vùng hiếm là một hàm số theo nồng độ chất pha. Nó rộng ở vùng chất pha nhẹ và hẹp ở vùng chất pha đậm.

n+Vùng phátMức Fermi tăng caopVùng nềnn-Vùng thuVùng hiếmMức Fermi giảmMức Fermi tăng nhẹn+ Vùng phátp Vùng nềnn- Vùng thuDải dẫn điệnDải hoá trịE(eV)Mức Fermi xếp thẳngDải hoá trị (valence band)Dải dẫn điện(Conductance band)Hình 2Hình sau đây mô tả vùng hiếm trong transistor NPN, sự tương quan giữa mức năng lượng Fermi, dải dẫn điện, dải hoá trị trong 3 vùng, phát nền, thu của transistor.

Cơ chế hoạt động của transistor lưỡng cực.

Trong ứng dụng thông thường (khuếch đại), nối phát nền phải được phân cực thuận trong lúc nối thu nền phải được phân cực nghịch.

Vì nối phát nền được phân cực thuận nên vùng hiếm hẹp lại. Nối thu nền được phân cực nghịch nên vùng hiếm rộng ra.

Nhiều điện tử từ cực âm của nguồn VEE đi vào vùng phát và khuếch tán sang vùng nền. Như ta đã biết, vùng nền được pha tạp chất ít và rất hẹp nên số lỗ trống không nhiều, do đó lượng lỗ trống khuếch tán sang vùng phát không đáng kể.

Hình 3n+Phân cực thuậnpn-Phân cực nghịchDòng điện tửIEICIBDòng điện tửVEEVCCRERCMạch phân cực như sau:

Do vùng nền hẹp và ít lỗ trống nên chỉ có một ít điện tử khuếch tán từ vùng phát qua tái hợp với lỗ trống của vùng nền. Hầu hết các điện tử này khuếch tán thẳng qua vùng thu và bị hút về cực dương của nguồn VCC.