Transistor NPN là gì, cấu tạo Transistor NPN

Transistor NPN là các thiết bị ba cực, ba lớp có thể hoạt động như bộ khuếch đại hoặc công tắc điện tử. Trong hướng dẫn này về các bóng bán dẫn lưỡng cực, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn về cấu hình của Bộ phát chung chung Emitter sử dụng Transistor NPN lưỡng cực với một ví dụ về việc chế tạo một bóng bán dẫn NPN cùng với các đặc tính dòng điện của bóng bán dẫn được đưa ra dưới đây. Bây giờ chúng ta cùng tìm hiểu Transistor là gì, cấu tạo của Transistor NPN

Transistor NPN là gì

Định nghĩa: Các transistor trong đó một nguyên liệu loại p được đặt giữa hai vật liệu loại n được gọi là transistor NPN . Transistor NPN khuếch đại tín hiệu yếu đi vào cơ sở và tạo ra tín hiệu khuếch đại mạnh ở đầu thu. Trong bóng bán dẫn NPN, hướng chuyển động của một electron là từ vùng phát đến vùng thu do đó dòng điện cấu thành trong bóng bán dẫn. Loại bóng bán dẫn như vậy chủ yếu được sử dụng trong mạch vì các hạt mang điện đa số của chúng là các electron có độ linh động cao so với lỗ trống.

Cấu tạo Transistor NPN

Transistor NPN có hai điốt được kết nối trở lại. Các diode ở phía bên trái được gọi là một diode phát cơ sở và các điốt ở phía bên trái được gọi là diode collector-base. Những tên này được đưa ra theo tên của các thiết bị đầu cuối.

Transistor NPN có ba thiết bị đầu cuối, đó là bộ phát, bộ thu và cơ sở. Phần giữa của bóng bán dẫn NPN được pha tạp nhẹ, và nó là yếu tố quan trọng nhất trong hoạt động của bóng bán dẫn. Bộ phát được pha tạp vừa phải, và bộ thu được pha tạp nặng.

 Sơ đồ mạch của bóng bán dẫn NPN

Sơ đồ mạch của bóng bán dẫn NPN được hiển thị trong hình dưới đây. Bộ thu và mạch cơ sở được kết nối theo xu hướng ngược trong khi bộ phát và mạch cơ sở được kết nối theo xu hướng thuận. Bộ thu luôn được kết nối với nguồn cung cấp tích cực và cơ sở là nguồn cung cấp âm để kiểm soát trạng thái BẬT / TẮT của bóng bán dẫn.

Nguyên tắc hoạt động của Transistor NPN

Sơ đồ mạch của bóng bán dẫn NPN được hiển thị trong hình dưới đây. Xu hướng chuyển tiếp được áp dụng trên đường giao nhau của cơ sở phát và phân cực ngược được áp dụng trên đường giao nhau của cơ sở thu. Điện áp phân cực thuận V _EB nhỏ so với điện áp phân cực ngược V _CB .

Bộ phát của bóng bán dẫn NPN bị pha tạp nặng. Khi phân cực thuận được áp dụng trên bộ phát, các hạt mang điện đa số di chuyển về phía gốc. Điều này làm cho phát hiện tôi _E . Các electron nhập vào vật liệu loại P và kết hợp với các lỗ trống.

Cơ sở của bóng bán dẫn NPN được pha tạp nhẹ. Do đó chỉ có một vài electron được kết hợp và còn lại cấu thành cơ sở hiện tại tôi _B . Dòng cơ sở này đi vào khu vực thu. Điện thế phân cực ngược của vùng collector áp dụng lực hấp dẫn cao lên các electron chạm tới điểm tiếp giáp collector. Do đó thu hút hoặc thu thập các điện tử tại bộ thu.

Toàn bộ dòng phát ra được nhập vào cơ sở. Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng dòng phát là tổng của bộ thu hoặc dòng cơ sở.

Trong hướng dẫn trước, chúng ta đã thấy rằng Transitor Bipolar hoặc BJT tiêu chuẩn , có hai dạng cơ bản. Loại NPN ( Negative- Positive- Negative) và PNP (Positive- Negative- Positive) loại.>

Cấu hình bóng bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất là Transitor NPN . Chúng tôi cũng học được rằng các mối nối của bóng bán dẫn lưỡng cực có thể bị sai lệch theo một trong ba cách khác nhau – Cơ sở chung , Bộ phát chung và Bộ thu chung .

Trong hướng dẫn này về các bóng bán dẫn lưỡng cực, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn về cấu hình của Bộ phát chung chung Emitter sử dụng Transitor NPN lưỡng cực với một ví dụ về việc chế tạo một bóng bán dẫn NPN cùng với các đặc tính dòng điện của bóng bán dẫn được đưa ra dưới đây.

Cấu hình bóng bán dẫn NPN lưỡng cực

(Lưu ý: Mũi tên xác định luồng phát và dòng thông thường, ra ngoài ra cho một Transitor NPN lưỡng cực.)
Các điện áp xây dựng và đầu cuối cho một bóng bán dẫn NPN lưỡng cực được hiển thị ở trên. Điện áp giữa Base và Emitter ( V _BE ), dương tại Base và âm tại Emitter bởi vì đối với một bóng bán dẫn NPN, thiết bị đầu cuối Base luôn dương đối với Emitter. Ngoài ra, điện áp cung cấp Collector là dương đối với Emitter ( V _CE ). Vì vậy, để một bóng bán dẫn NPN lưỡng cực thực hiện Collector luôn tích cực hơn đối với cả Base và Emitter.

Sau đó, các nguồn điện áp được kết nối với một bóng bán dẫn NPN như được hiển thị. Collector được kết nối với điện áp cung cấp V _CC thông qua điện trở tải, RL cũng hoạt động để hạn chế dòng điện tối đa chạy qua thiết bị. Điện áp cung cấp cơ sở V _B được kết nối với điện trở cơ sở R _B , một lần nữa được sử dụng để giới hạn dòng cơ sở tối đa.

Vì vậy, trong Transitor NPN, sự chuyển động của các sóng mang âm (electron) qua vùng Cơ sở cấu thành hành động của bóng bán dẫn, vì các electron di động này cung cấp liên kết giữa các mạch Collector và Emitter. Liên kết này giữa các mạch đầu vào và đầu ra là tính năng chính của hành động bóng bán dẫn bởi vì các thuộc tính khuếch đại bóng bán dẫn đến từ điều khiển hệ quả mà Base tạo ra khi Collector thành dòng Emitter.

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng bóng bán dẫn là một thiết bị hoạt động hiện tại (mô hình Beta) và một dòng điện lớn ( Ic ) chảy tự do qua thiết bị giữa bộ thu và các cực phát khi bóng bán dẫn được chuyển đổi hoàn toàn ON-ON. Tuy nhiên, điều này chỉ xảy ra khi một dòng điện phân cực nhỏ ( Ib ) đang chảy vào cực cơ sở của bóng bán dẫn cùng một lúc, do đó cho phép Base hoạt động như một loại đầu vào điều khiển hiện tại.

Dòng điện trong một bóng bán dẫn NPN lưỡng cực là tỷ lệ của hai dòng điện này ( Ic / Ib ), được gọi là DC Hiện tại của thiết bị và được ký hiệu là hfe hoặc ngày nay là Beta , ( β ).

Giá trị của β có thể lớn lên đến 200 cho transistor tiêu chuẩn, và nó là tỷ lệ lớn này giữa Ic và Ib mà làm cho NPN transistor lưỡng cực một thiết bị khuếch đại hữu ích khi được sử dụng trong khu vực hoạt động của nó như là Ib cung cấp đầu vào và Ic cung cấp đầu ra . Lưu ý rằng Beta không có đơn vị vì nó là một tỷ lệ.

Ngoài ra, mức tăng hiện tại của bóng bán dẫn từ thiết bị đầu cuối Collector đến thiết bị đầu cuối Emitter, Ic / Ie , được gọi là Alpha , ( α ) và là một chức năng của chính bóng bán dẫn (các electron khuếch tán qua đường giao nhau). Vì Ie hiện tại là tổng của dòng cơ sở rất nhỏ cộng với dòng thu rất lớn, giá trị của alpha ( α ), rất gần với sự thống nhất và đối với một bóng bán dẫn tín hiệu công suất thấp thông thường, giá trị này nằm trong khoảng 0,950 đến 0,999

Mối quan hệ giữa α và β Transitor NPN

Bằng cách kết hợp hai tham số α và β, chúng ta có thể tạo ra hai biểu thức toán học cho mối quan hệ giữa các dòng điện khác nhau chảy trong bóng bán dẫn.

Các giá trị của Beta thay đổi từ khoảng 20 đối với các bóng bán dẫn công suất dòng cao đến hơn 1000 đối với các bóng bán dẫn lưỡng cực loại công suất thấp tần số cao. Giá trị của Beta đối với hầu hết các bóng bán dẫn NPN tiêu chuẩn có thể được tìm thấy trong các bảng dữ liệu của nhà sản xuất nhưng thường nằm trong khoảng từ 50 – 200.

Phương trình trên cho Beta cũng có thể được sắp xếp lại để làm Ic như chủ đề, và với một số không cơ sở hiện tại ( Ib = 0 ) thu kết quả hiện tại Ic cũng sẽ là zero, ( β * 0 ). Ngoài ra khi dòng cơ sở cao thì dòng collector tương ứng cũng sẽ cao dẫn đến dòng cơ sở điều khiển dòng collector. Một trong những tính chất quan trọng nhất của Transitor Bipolar Junction là một dòng cơ sở nhỏ có thể điều khiển dòng thu lớn hơn nhiều. Hãy xem xét ví dụ sau.

Ví dụ về bóng bán dẫn NPN số 1

Một bóng bán dẫn NPN lưỡng cực có mức tăng dòng điện một chiều, giá trị ( Beta ) là 200. Tính toán dòng cơ sở Ib cần thiết để chuyển đổi tải điện trở 4mA.

Do đó, β = 200, Ic = 4mA và Ib = 20 EDA .

Một điểm khác cần nhớ về Transitor NPN lưỡng cực . Điện áp collector, ( Vc ) phải lớn hơn và dương so với điện áp bộ phát, ( Ve ) để cho phép dòng điện chạy qua bóng bán dẫn giữa các điểm nối collector-emitter. Ngoài ra, có một sự sụt giảm điện áp giữa Base và cực Emitter khoảng 0,7V (giảm một volt volt) cho các thiết bị silicon vì các đặc tính đầu vào của Transitor NPN là một diode phân cực thuận.

Khi đó điện áp cơ sở, ( Vbe ) của bóng bán dẫn NPN phải lớn hơn 0,7V này nếu không bóng bán dẫn sẽ không dẫn điện với dòng cơ sở được cho là.

Trong đó:    Ib là dòng điện cơ sở, Vb là điện áp phân cực cơ sở, Vbe là điện áp rơi của bộ phát cơ sở (0,7v) và Rb là điện trở đầu vào cơ sở. Tăng Ib , Vbe từ từ tăng lên 0,7V nhưng Ic tăng theo cấp số nhân.

Ví dụ về bóng bán dẫn NPN số 2

Transitor NPN có điện áp phân cực cơ sở DC, Vb là 10v và điện trở cơ sở đầu vào, Rb là 100kΩ. Giá trị của dòng cơ sở vào bóng bán dẫn sẽ là gì.

Do đó, Ib = 93 TIẾNG .

Cấu hình Emitter chung.

Ngoài việc được sử dụng như một công tắc bán dẫn để chuyển dòng tải, có thể sử dụng tín hiệu cơ bản cho bóng bán dẫn ở vùng bão hòa hoặc vùng bị cắt, Transitor NPN lưỡng cực cũng có thể được sử dụng trong vùng hoạt động của nó tạo ra một mạch sẽ khuếch đại bất kỳ tín hiệu AC nhỏ nào được đặt vào cực gốc của nó với Bộ phát được nối đất.

Nếu điện áp DC thiên vị DC thích hợp trước tiên được áp dụng cho thiết bị đầu cuối Cơ sở bóng bán dẫn, do đó cho phép nó luôn hoạt động trong vùng hoạt động tuyến tính của nó, một mạch khuếch đại đảo ngược được gọi là bộ khuếch đại bộ phát chung một giai đoạn được tạo ra.

Một cấu hình Bộ khuếch đại Emitter chung như vậy của bóng bán dẫn NPN được gọi là Bộ khuếch đại Class A. A Class Class A Hoạt động khuếch đại là một trong đó thiết bị đầu cuối Cơ sở của bóng bán dẫn được đặt lệch theo cách để chuyển tiếp phân cực của đường giao nhau Base-emitter.

Kết quả là bóng bán dẫn luôn hoạt động ở giữa các vùng bị cắt và bão hòa, do đó cho phép bộ khuếch đại bóng bán dẫn tái tạo chính xác nửa dương và âm của bất kỳ tín hiệu đầu vào AC nào được đặt trên điện áp phân cực DC này.

Nếu không có điện áp Bias điện áp này, chỉ một nửa dạng sóng đầu vào sẽ được khuếch đại. Cấu hình bộ khuếch đại bộ phát phổ biến này sử dụng bóng bán dẫn NPN có nhiều ứng dụng nhưng thường được sử dụng trong các mạch âm thanh như giai đoạn tiền khuếch đại và khuếch đại công suất.

Với tham chiếu đến cấu hình bộ phát chung được hiển thị bên dưới, một họ các đường cong được gọi là Đường cong Đặc tính Đầu ra , liên quan đến dòng bộ thu đầu ra, (  Ic  ) với điện áp của bộ thu, (  Vce  ) khi các giá trị khác nhau của dòng Cơ sở, (  Ib  ). Đặc điểm sản lượng đường cong được áp dụng cho các transistor cho transistor với cùng β giá trị.

Một dòng tải DC DC cũng có thể được vẽ trên các đường cong đặc tính đầu ra để hiển thị tất cả các điểm vận hành có thể khi các giá trị khác nhau của dòng cơ sở được áp dụng. Cần đặt chính xác giá trị ban đầu của Vce để cho phép điện áp đầu ra thay đổi cả lên và xuống khi khuếch đại tín hiệu đầu vào AC và điều này được gọi là đặt điểm hoạt động hoặc Quiescent Point , Q-point và điều này được hiển thị bên dưới.

Mạch khuếch đại bộ phát chung chung giai đoạn

Đặc điểm đồ thị điểm ra một Transitor lưỡng cực điển hình

Yếu tố quan trọng nhất cần chú ý là ảnh hưởng của Vce đối với Ic hiện tại của bộ thu khi Vce lớn hơn khoảng 1 volt. Chúng ta có thể thấy rằng Ic phần lớn không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong Vce trên giá trị này và thay vào đó nó gần như được kiểm soát hoàn toàn bởi dòng cơ sở, Ib . Khi điều này xảy ra, chúng ta có thể nói rằng mạch đầu ra đại diện cho mạch Nguồn liên tục hiện tại.

Cũng có thể thấy từ mạch phát chung chung ở trên rằng dòng phát Ie là tổng của dòng thu, Ic và dòng cơ sở, Ib , được thêm vào với nhau để chúng ta cũng có thể nói rằng Ie = Ic + Ib cho bộ phát chung ( Cấu hình CE).

Bằng cách sử dụng các đường cong đặc tính đầu ra trong ví dụ của chúng tôi ở trên và cả Luật Ohm, dòng điện chạy qua điện trở tải, (  R _L  ), bằng với dòng thu, Ic đi vào bóng bán dẫn lần lượt tương ứng với điện áp cung cấp, (  Vcc  ) trừ đi sự sụt giảm điện áp giữa bộ thu và các cực phát, (  Vce  ) và được đưa ra là:

Ngoài ra, một đường thẳng biểu thị Đường tải động của bóng bán dẫn có thể được vẽ trực tiếp lên đồ thị của các đường cong ở trên từ điểm của Sat Saturation ( A ) khi Vce = 0 đến điểm của Cut Cut-off ( B ) khi Do đó, Ic = 0 mang lại cho chúng ta các điểm điều hành trên mạng hoặc điểm Q của bóng bán dẫn. Hai điểm này được nối với nhau bằng một đường thẳng và bất kỳ vị trí nào dọc theo đường thẳng này đại diện cho Vùng hoạt động của hệ thống bóng bán dẫn. Vị trí thực tế của đường tải trên các đường cong đặc tính có thể được tính như sau:

Sau đó, các đường cong đặc tính của bộ thu hoặc đầu ra cho Transitor NPN Emitter chung có thể được sử dụng để dự đoán dòng Collector, Ic , khi được cung cấp Vce và dòng cơ sở, Ib . Đường tải cũng có thể được xây dựng trên các đường cong để xác định Điểm hoạt động hoặc điểm Q phù hợp có thể được đặt bằng cách điều chỉnh dòng cơ sở. Độ dốc của đường tải này bằng với độ nghịch đảo của điện trở tải được đưa ra là: -1 / R _L

Sau đó, chúng ta có thể định nghĩa Transitor NPN là bình thường BẮT ĐẦU, nhưng dòng điện đầu vào nhỏ và điện áp dương nhỏ ở Cơ sở (  B  ) của nó so với Emitter của nó (  E  ) sẽ biến nó thành ON ON cho phép dòng Collector-Emitter lớn hơn nhiều chảy. Các bóng bán dẫn NPN tiến hành khi Vc lớn hơn nhiều so với Ve .

Trong hướng dẫn tiếp theo về Transitor lưỡng cực , chúng ta sẽ xem xét dạng đối diện hoặc bổ sung của Transitor NPN được gọi là Transitor PNP và chỉ ra rằng Transitor PNP có các đặc tính rất giống với bóng bán dẫn NPN lưỡng cực ngoại trừ các cực (hoặc sai lệch) của hướng hiện tại và điện áp được đảo ngược.