Ba chế độ của BJT: ngắt, tích cực và bão hòa

Hai tiếp giáp B–E và B–C

BJT NPN có hai tiếp giáp dùng chung vùng base: tiếp giáp B–E và tiếp giáp B–C; mỗi tiếp giáp phân cực thuận hoặc ngược, và tổ hợp của chúng xác định chế độ làm việc.

Tiếp giáp B–E nằm giữa base và emitter; tiếp giáp B–C nằm giữa base và collector.

Hai tiếp giáp, mỗi nơi thuận hoặc ngược → tổ hợp phân cực quyết định chế độ.

Xem lời đọc

Ta dùng một transistor loại nờ pi nờ duy nhất, và giữ nguyên nó suốt bài. Nó có hai tiếp giáp. Tiếp giáp phát nền nằm bên trái, tiếp giáp nền thu nằm bên phải, và cả hai dùng chung vùng nền ở giữa. Mỗi tiếp giáp có thể phân cực thuận, hoặc phân cực ngược. Hai tiếp giáp, mỗi nơi hai khả năng, cho ra các tổ hợp. Ba tổ hợp trong số đó là ba chế độ ta xem lần lượt: ngắt, tích cực và bão hòa.

B–E	B–C	Chế độ
không thuận đáng kể	ngược	ngắt
thuận	ngược	tích cực
thuận	thuận	bão hòa
ngược	thuận	tích cực ngược

Tổ hợp thứ tư, tích cực ngược, là chế độ emitter và collector đổi vai trò cho nhau; bài này không dùng đến nó. Hình giữ nguyên một transistor NPN và một nguồn nối qua điện trở tải ở collector, nên điện áp V_CE thay đổi khi dòng collector thay đổi.

Chế độ ngắt

Ở cutoff (chế độ ngắt), tiếp giáp B–E không phân cực thuận đáng kể và B–C phân cực ngược, nên dòng collector rất nhỏ.

Rào B–E vẫn cao, nên gần như không electron nào được phun từ emitter sang base.

B–E không thuận, B–C ngược → rào cao, không phun hạt → I_C rất nhỏ.

Xem lời đọc

Giờ ta nhìn chế độ ngắt. Giữa phát và nền gần như không có điện áp thuận, nên hàng rào bên trái vẫn cao. Bạn nhìn electron ở vùng phát. Chúng chạy tới sát hàng rào rồi quay lại, hiếm lắm mới có một hạt vượt qua. Vùng nền gần như không nhận được electron nào. Nên vùng thu không có gì để thu. Điểm làm việc nằm sát trục ngang trên đồ thị. Dòng thu rất nhỏ.

Vẫn còn một dòng rò rất nhỏ, cỡ picô ampe với V_BE = 0 trong hình, chủ yếu do các hạt tải được sinh nhiệt trong vùng nghèo B–C và trong base bị điện trường kéo đi. Mô hình công tắc coi dòng này gần bằng không, nhưng nó không đúng bằng không.

Hàng rào B–E trên giản đồ ở đây cao như ở trạng thái cân bằng; điện áp trên B–C chỉ làm rào B–C cao thêm và vùng nghèo B–C rộng ra.

Chế độ tích cực

Ở active region (chế độ tích cực), B–E phân cực thuận và B–C phân cực ngược: rào B–E hạ xuống, electron vào base và được collector thu.

Phần lớn electron phun vào base đi qua base mỏng rồi bị điện trường vùng nghèo B–C kéo sang collector.

B–E thuận, B–C ngược → electron đi từ emitter qua base sang collector.

Xem lời đọc

Bây giờ ta đặt điện áp thuận lên tiếp giáp phát nền. Hàng rào bên trái hạ xuống, và electron từ vùng phát tràn vào vùng nền. Vùng nền mỏng, nên phần lớn electron đi qua được mà không tái hợp. Ở tiếp giáp nền thu đang phân cực ngược, điện trường kéo chúng sang vùng thu. Bạn nhìn các electron chạy liền một mạch từ trái sang phải. Đó là dòng thu.

Điện áp thuận hạ hàng rào B–E nên electron từ emitter dễ vào base. Ở base, chúng là hạt tải thiểu số, khuếch tán qua bề dày base mỏng; một phần nhỏ tái hợp với lỗ trống. Đến bờ vùng nghèo B–C, điện trường của tiếp giáp phân cực ngược kéo chúng sang collector.

Khi có điện áp ngoài, electron và lỗ trống mỗi loại có mức giả Fermi riêng, không còn một E_F phẳng chung, nên hình không vẽ đường E_F.

Dòng collector được điều khiển bởi dòng base

Ở chế độ tích cực, dòng collector tỉ lệ với dòng base: tăng dòng base thì dòng collector tăng theo.

Dòng collector lớn gấp β lần dòng base, với β là hệ số khuếch đại dòng của chế độ tích cực.

I_B tăng gấp đôi → I_C tăng gấp đôi, I_C ≈ β·I_B.

Xem lời đọc

Vẫn ở chế độ tích cực, ta xem dòng thu phụ thuộc vào gì. Bạn nhìn hai kim đo. Khi dòng nền tăng gấp đôi, dòng thu cũng tăng gấp đôi. Dòng thu lớn gấp một số lần cố định so với dòng nền. Số lần đó là hệ số khuếch đại dòng của chế độ tích cực. Nghĩa là một dòng nền nhỏ điều khiển được một dòng thu lớn hơn nhiều. Quan hệ này chỉ đúng khi vùng thu còn thu được hạt.

Với nồng độ tạp chất và bề dày base của hình, β ≈ 43,5 tại V_BE = 0,65 V và I_C/I_B gần phẳng, khoảng 41 đến 44. Hệ số β là tỉ số của dòng collector và dòng base trong chế độ tích cực thuận. Nó phụ thuộc cấu trúc linh kiện và điều kiện làm việc, và chỉ có nghĩa khi linh kiện còn ở chế độ tích cực.

Vì V_CE bằng điện áp nguồn trừ điện áp rơi trên điện trở tải, dòng collector lớn lên thì V_CE nhỏ đi. Điều này không phá quan hệ tỉ lệ chừng nào B–C còn phân cực ngược.

Chế độ bão hòa

Ở saturation (chế độ bão hòa), cả B–E và B–C đều phân cực thuận đáng kể; collector không còn thu hết hạt bằng một tiếp giáp phân cực ngược.

Khi V_BC tăng dần, rào B–C hạ xuống và electron từ collector vào base nhiều dần, ngược với dòng chính.

B–C thuận đáng kể → collector không còn thu hết hạt từ base.

Xem lời đọc

Giờ ta cho dòng nền lớn lên nhiều. Dòng thu muốn lớn theo, nhưng điện áp rơi trên điện trở tải cũng lớn theo. Nên điện áp giữa thu và phát giảm dần. Tiếp giáp nền thu đổi dấu, từ phân cực ngược sang phân cực thuận. Ban đầu điện áp thuận còn nhỏ, vùng thu vẫn thu gần hết electron. Điện áp thuận càng lớn, hàng rào bên phải càng hạ, và càng nhiều electron chạy ngược từ vùng thu về vùng nền. Đến lúc đó vùng thu không còn kéo hết electron sang nó nữa.

Dòng base lớn thì dòng collector muốn lớn theo, làm điện áp rơi trên điện trở tải lớn, V_CE nhỏ đi. Khi V_CE nhỏ hơn V_BE, điện áp V_BC = V_BE − V_CE đổi dấu thành dương. Lúc V_BC mới dương vài chục mV, collector vẫn thu gần hết hạt; B–C chỉ thuận đáng kể khi V_BC cỡ 0,5 đến 0,6 V; theo số liệu của hình, dòng collector giảm 10% ở V_BC khoảng 0,52 đến 0,54 V và giảm một nửa ở khoảng 0,58 đến 0,62 V.

Ranh giới giữa tích cực và bão hòa là một quy ước xác định theo V_BC hoặc theo V_CE; vùng chuyển tiếp không đột ngột.

Bão hòa không theo hệ số khuếch đại

Ở bão hòa, tăng dòng base không làm dòng collector tăng theo tỉ lệ β; tỉ số I_C/I_B nhỏ hơn β.

Dòng collector bị giới hạn bởi nguồn và điện trở tải, còn V_CE chỉ còn rất nhỏ.

I_B tăng thêm → I_C hầu như không tăng → I_C < β·I_B.

Xem lời đọc

Bây giờ ta tăng thêm dòng nền, khi vùng thu đã không còn thu hết. Bạn nhìn kim dòng thu. Nó hầu như đứng yên. Dòng thu đã bị nguồn và điện trở tải giới hạn, nên dòng nền có tăng thêm cũng không kéo nó tăng theo. Tỉ số giữa dòng thu và dòng nền lúc này nhỏ hơn hệ số khuếch đại của chế độ tích cực. Hệ số đó chỉ áp dụng cho chế độ tích cực. Ở bão hòa, ta không dùng nó nữa.

Điện áp V_CE ở bão hòa gọi là V_CE(sat). Nó nhỏ vì V_CE = V_BE − V_BC là hiệu của hai điện áp thuận, cỡ 0,73 − 0,58 ≈ 0,16 V, và thay đổi nhẹ theo dòng base: khi dòng base tăng từ 200 µA lên 1000 µA, V_CE giảm từ 0,21 V xuống 0,13 V. Giá trị cụ thể phụ thuộc linh kiện và điều kiện.

Công tắc và khuếch đại

Ngắt và bão hòa đưa BJT về hai trạng thái tắt và mở như một công tắc; tích cực dùng để khuếch đại dòng.

Ngắt cho dòng collector rất nhỏ; bão hòa cho dòng collector lớn với V_CE nhỏ; tích cực cho I_C ≈ β·I_B.

Ngắt → tắt, bão hòa → mở, tích cực → khuếch đại.

Xem lời đọc

Ta nhìn lại cả ba chế độ trên cùng một đồ thị. Ở chế độ ngắt, dòng thu rất nhỏ, giống công tắc đang hở. Ở chế độ bão hòa, dòng thu lớn và điện áp giữa thu và phát rất nhỏ, giống công tắc đang đóng. Hai trạng thái này dùng để đóng mở. Chế độ tích cực nằm giữa hai trạng thái đó, và là chế độ duy nhất để khuếch đại dòng. Đây chỉ là mô hình, vì không có trạng thái nào đúng bằng không.

Gọi ngắt là tắt và bão hòa là mở là một mô hình. Ở trạng thái tắt dòng collector không đúng bằng không, và ở trạng thái mở V_CE không đúng bằng không, còn hệ số β không cố định ở bão hòa.

Điểm làm việc đi từ chế độ này sang chế độ khác khi dòng base thay đổi. Vùng tích cực nằm giữa hai trạng thái công tắc.