Giới thiệu Transistor NPN
Transistor NPN là một trong những loại Transistor lưỡng cực (BJT). Transistor NPN bao gồm hai vật liệu bán dẫn loại n và chúng được ngăn cách bởi một lớp mỏng bán dẫn loại p. Ở đây phần lớn các hạt tải điện là các electron. Dòng chảy của các điện tử này từ cực phát đến cực thu tạo thành dòng điện trong Transistor. Nói chung Transistor NPN là loại Transistor lưỡng cực được sử dụng nhiều nhất vì tính linh động của điện tử cao hơn tính linh động của lỗ trống. Transistor NPN có ba chân – cực E, B và cực C. Transistor NPN chủ yếu được sử dụng để khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu.
Hình trên mô tả ký hiệu và cấu tạo của transistor NPN. Trong cấu trúc này, chúng ta có thể quan sát ba cực của Transistor, dòng điện đi trong mạch và biểu diễn giá trị điện áp. Bây giờ chúng ta hãy xem hoạt động của Transistor NPN.
Mạch Transistor NPN
Hình trên mô tả mạch Transistor NPN với điện áp nguồn và tải điện trở. Ở đây cựcC luôn kết nối với điện áp dương, cực E nối với nguồn âm và cực B điều khiển các trạng thái BẬT / TẮT của Transistor phụ thuộc vào điện áp đặt vào nó.
Nguyên lý làm việc Transistor NPN
Hoạt động của Transistor NPN khá phức tạp. Trong các kết nối mạch ở trên, chúng tôi quan sát thấy rằng điện áp cung cấp VB được đặt cho đầu vào cực B thông qua tải RB. Cực C nối với điện áp VCC thông qua tải RL. Ở đây cả hai tải RB và RL có thể hạn chế dòng điện chạy qua các cực tương ứng. Ở đây cực B và cực C luôn chứa điện áp dương đối với cực E.
Nếu điện áp cực B bằng điện áp cực E thì bóng bán dẫn ở trạng thái TẮT. Nếu điện áp cực B tăng trên điện áp của cực E thì Transistor sẽ được chuyển mạch nhiều hơn cho đến khi nó ở trạng thái BẬT hoàn toàn. Nếu điện áp dương đủ được đặt vào cực B tức là trạng thái BẬT hoàn toàn, thì dòng điện tử được tạo ra và dòng điện (IC) chạy từ bộ E đến bộ C. Ở đây cực B đóng vai trò là đầu vào và vùng C-E đóng vai trò là đầu ra.
Để cho phép dòng điện chạy giữa cực E và cực C thích hợp, điều cần thiết là điện áp cực C phải dương và cũng phải lớn hơn điện áp cực E của Transistor. Một số lượng điện áp giảm giữa B và E, chẳng hạn như 0,7V. Vì vậy điện áp cực B phải lớn hơn điện áp sụt 0,7V nếu không transistor sẽ không hoạt động. Phương trình cho dòng điện cơ bản của Transistor NPN lưỡng cực được đưa ra bởi,
I B = (V B -V BE ) / R B
Ở đây,
I B = Dòng điện qua cực B
V B = Điện áp phân cực ở cực B
V BE = Điện áp BE = 0,7V
R B = Điện trở cực B
Dòng IC đầu ra trong Transistor NPN E chung có thể được tính toán bằng cách áp dụng Định luật Điện áp (KVL) của Kirchhoff.
Phương trình cho điện áp là :
VCC = ICRL + VCE ………… (1)
Từ phương trình trên, dòng điện I C cho bóng bán dẫn NPN E chung được cho là
I C = (V CC -V CE ) / R L
Trong một transistor NPN E chung, mối quan hệ giữa dòng điện cực C và E được cho là
I C = β I B
Trong vùng hoạt động, transistor NPN hoạt động như một bộ khuếch đại. Trong transistor NPN E chung thông thường, tổng dòng điện qua transistor được định nghĩa là tỷ số của dòng điện cực C với dòng điện cực B IC / IB. Tỷ lệ này còn được gọi là “độ lợi dòng điện một chiều” và nó không có bất kỳ đơn vị nào. Tỷ lệ này thường được biểu diễn bằng β và giá trị lớn nhất của β là khoảng 200. Trong transistor NPN B chung, tổng độ lợi dòng điện được biểu thị bằng tỷ số giữa dòng cực C và dòng cực E IC / IE. Tỷ lệ này được biểu diễn bằng α và giá trị này bằng 1.
Mối quan hệ α, β và γ trong Transistor NPN
Bây giờ chúng ta hãy xem mối quan hệ giữa hai tham số tỷ lệ α và β.
α = Độ lợi dòng điện một chiều cho mạch B chung = Dòng điện đầu ra / Dòng điện đầu vào
Trong mạch B chung dòng điện đầu ra của bóng bán dẫn NPN là dòng cực thu (IC) và dòng đầu vào là dòng phát (IE).
α = I C / I E ……… .. (2)
Giá trị khuếch đại (α) dòng điện này rất gần với 1 nhưng nhỏ hơn 1.
Chúng ta biết rằng dòng điện cực E là tổng của dòng điện B nhỏ và dòng điện cực C lớn.
I E = I C + I B
I B = I E – I C
từ phương trình 2
I C = αI E
I B = I E – αI E
I B = I E (1-α)
β = Độ lợi dòng điện một chiều cho mạch E chung = Dòng điện đầu ra / Dòng điện đầu vào
Ở đây dòng điện đầu ra là dòng điện cực C và dòng điện đầu vào là dòng điện cực B.
β = I C / I B
β = I C / I E (1-α)
β = α / (1-α)
Từ các phương trình trên, mối quan hệ giữa α và β có thể được biểu diễn dưới dạng
α = β (1-α) = β / (β + 1)
β = α (1 + β) = α / (1-α)
Giá trị β có thể thay đổi từ 20 đến 1000 đối với các transistor công suất thấp hoạt động với tần số cao. Nhưng nói chung giá trị β này có thể có giá trị trong khoảng 50-200.
Bây giờ chúng ta sẽ thấy mối quan hệ giữa các yếu tố α, β và γ.
Trong transistor NPN C chung, độ lợi dòng điện được định nghĩa là tỷ số dòng điện IE với dòng điện IB. Độ lợi dòng này được biểu diễn bằng γ.
γ = I E / I B
Chúng tôi biết rằng :
I E = I C + I B
γ = (I C + I B ) / I B
γ = (I C / I B ) + 1
γ = β +1
Do đó các mối quan hệ giữa α, β và γ được đưa ra như dưới đây
α = β / (β + 1), β = α / (1-α), γ = β +1
Ví dụ về transistor NPN
1. Tính dòng điện IB để chuyển tải điện trở 4mA của bóng bán dẫn lưỡng cực NPN có giá trị dòng điện (β) 100.
I B = I C / β = (4 * 10 -3 ) / 100 = 40uA
2. Tính dòng điện I B của một transistor NPN lưỡng cực có điện áp phân cực 10V và điện trở RB đầu vào là 200kΩ.
Chúng ta biết phương trình cho dòng điện IB là,
I B = (V B -V BE ) / R B
Chúng tôi biết các giá trị,
V BE = 0,7V,
V B = 10V,
R B = 200Ω.
Bây giờ chúng ta thay thế các giá trị này trong phương trình trên,
Chúng tôi nhận được,
I B = (V B -V BE ) / R B = (10-0,7) / 200kΩ = 46,5uA.
Dòng điện IB của bóng bán dẫn NPN là 46,5uA.
Đặc tuyến đầu ra của Transistor NPN
Họ các đường cong đặc tuyến đầu ra của bóng bán dẫn lưỡng cực được đưa ra dưới đây. Các đường cong cho thấy mối quan hệ giữa dòng điện cực C (IC) và điện áp cực C-E (VCE) với sự thay đổi của dòng điện (IB). Chúng ta biết rằng transistor chỉ ở trạng thái ‘BẬT’ khi có ít nhất một lượng nhỏ dòng điện và một lượng điện áp nhỏ được đặt vào đầu cực B của nó so với cực E, nếu không transistor ở trạng thái ‘TẮT’.
Dòng điện cực C (IC) chủ yếu bị ảnh hưởng bởi điện áp CE (VCE) ở mức 1.0V nhưng IC này không bị ảnh hưởng nhiều trên giá trị này. Chúng ta đã biết rằng dòng điện cực E là tổng của dòng điện cực B và dòng điện cực C. tức là IE = IC + IB. Dòng điện chạy qua tải điện trở (RL) bằng dòng điện IC của transistor. Phương trình cho dòng điện IC được đưa ra bởi,
I C = (V CC -V CE ) / R L
Đường thẳng chỉ ra ‘Đường tải động’ nối hai điểm A (trong đó V CE = 0) và B (nơi I C = 0). Vùng dọc theo đường tải này đại diện cho ‘vùng hoạt động’ của bóng bán dẫn.
Các đường cong đặc tuyến E chung được sử dụng để tính dòng điện cực C khi cho trước điện áp cưc C và dòng điện IB. Đường tải (đường màu đỏ) được sử dụng để xác định điểm Q trong đồ thị. Độ dốc của đường tải bằng nghịch đảo của điện trở. tức là -1 / RL.
Ứng dụng transistor NPN
- Các bóng bán dẫn NPN chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng chuyển mạch.
- Được sử dụng trong các ứng dụng mạch khuếch đại.
- Được sử dụng trong mạch Darlington để khuếch đại tín hiệu yếu.
- Các bóng bán dẫn NPN được sử dụng trong các ứng dụng cần giảm dòng điện.
- Được sử dụng trong một số mạch khuếch đại cổ điển, chẳng hạn như mạch khuếch đại ‘đẩy-kéo’.
- Trong cảm biến nhiệt độ.
- Các ứng dụng tần số rất cao.
- Được sử dụng trong trình chuyển đổi logarit.