Dòng hạt tải trong BJT ở chế độ tích cực thuận

Điều kiện phân cực của chế độ tích cực thuận

Ở forward active mode (chế độ tích cực thuận) của BJT loại NPN, hai nguồn ngoài đặt V_BE dương và V_BC âm.

Nguồn thứ nhất nối giữa vùng nền và emitter (vùng phát); nguồn thứ hai nối giữa collector (vùng thu) và vùng nền.

V_BE dương, V_BC âm → tiếp giáp phát–nền phân cực thuận, tiếp giáp nền–thu phân cực ngược.

Xem lời đọc

Ta lấy linh kiện nờ pi nờ với ba vùng phát, nền và thu, rồi nối hai nguồn ngoài. Nguồn thứ nhất nằm giữa vùng nền và vùng phát, cực dương về phía vùng nền. Nguồn thứ hai nằm giữa vùng thu và vùng nền, cực dương về phía vùng thu. Vậy tiếp giáp phát–nền phân cực thuận. Tiếp giáp nền–thu phân cực ngược. Đó là chế độ tích cực thuận.

V_BE = V_B − V_E và V_BC = V_B − V_C, trong đó V_B, V_E, V_C là điện thế tại ba dây nối. V_BE dương nghĩa là vùng nền có điện thế lớn hơn vùng phát; V_BC âm nghĩa là vùng nền có điện thế nhỏ hơn vùng thu.

Độ lớn cụ thể của hai điện áp thuộc về số liệu mô phỏng của hình.

Hàng rào phát–nền giảm

Điện áp thuận V_BE làm potential barrier (hàng rào thế) giữa vùng phát và vùng nền nhỏ đi, còn V_BC âm làm dốc đi xuống từ vùng nền sang vùng thu sâu thêm.

So với cân bằng, E_C và E_V của vùng phát có năng lượng lớn hơn; của vùng thu có năng lượng nhỏ hơn; vùng nền giữ làm mốc.

V_BE dương → hàng rào phát–nền giảm.

Xem lời đọc

Giờ ta nhìn giản đồ dải, vẫn cùng trục vị trí với mặt cắt. Điện áp thuận đưa dải của vùng phát lên, nên hàng rào giữa vùng phát và vùng nền nhỏ đi. Mức giảm xấp xỉ bằng điện áp của nguồn thứ nhất. Điện áp âm ở phía vùng thu kéo dải của vùng thu xuống, nên dốc đi xuống từ vùng nền sang vùng thu sâu thêm. Linh kiện không còn ở cân bằng, nên ta không vẽ một mức Fermi chung.

Ở cân bằng, mức Fermi E_F nằm ngang qua cả linh kiện. Khi có điện áp ngoài, linh kiện không còn ở cân bằng, nên không còn một E_F chung. Hình chỉ vẽ E_C và E_V.

Trong bộ giải 1D của hình, hàng rào phát–nền giảm từ 0,866 eV ở cân bằng xuống 0,216 eV khi V_BE = 0,65 V.

Khi có điện áp ngoài, electron và lỗ trống có quasi-Fermi level (mức giả Fermi) riêng. Qua vùng nghèo phát–nền, mức giả Fermi của electron và của lỗ trống tách nhau một đoạn bằng V_BE nhân q; ở hai vùng trung hòa hai bên, mức Fermi của vùng phát và của vùng nền lệch nhau cũng đúng bấy nhiêu.

Cùng lúc đó vùng nghèo phát–nền hẹp lại và vùng nghèo nền–thu rộng ra, vì điện áp thuận làm yếu điện trường nội tại ở tiếp giáp phát–nền còn điện áp ngược làm mạnh thêm điện trường ở tiếp giáp nền–thu.

Phun electron từ vùng phát vào vùng nền

Hàng rào nhỏ đi, nên nhiều electron của vùng phát vượt qua tiếp giáp vào vùng nền: đó là injection (sự phun) electron.

Electron do dây nối vùng phát cấp, chuyển động nhiệt trong vùng phát, rồi vượt hàng rào đã nhỏ đi để vào vùng nền.

Hàng rào giảm → electron từ vùng phát vào vùng nền nhiều hơn hẳn lúc cân bằng.

Xem lời đọc

Hàng rào đã nhỏ đi, nên giờ nhiều electron của vùng phát có đủ năng lượng để vượt qua. Bạn nhìn electron có viền sáng này. Nó đi vào từ dây nối vùng phát, chuyển động nhiệt trong vùng phát, rồi băng qua tiếp giáp và vào vùng nền. Ta gọi việc này là sự phun electron. So với lúc cân bằng, số electron qua tiếp giáp theo chiều này tăng lên rất nhiều.

Vùng nền là vùng loại p, nên electron phun vào đó là minority carrier (hạt tải thiểu số) của vùng nền. Chúng không đứng yên mà khuếch tán tiếp.

Ở cân bằng, electron cũng băng qua tiếp giáp theo cả hai chiều nhưng hai dòng cân bằng nhau. Khi hàng rào giảm, dòng từ vùng phát sang vùng nền lớn hơn hẳn dòng ngược lại.

Vùng nền mỏng và sự thu electron của vùng thu

Vùng nền mỏng nên phần lớn electron phun vào đi hết bề dày vùng nền; điện trường ở tiếp giáp nền–thu kéo chúng sang vùng thu.

Trong vùng nền, electron khuếch tán từ phía vùng phát, nơi nồng độ lớn, về phía vùng thu, nơi nồng độ gần bằng không.

Vùng nền mỏng → phần lớn electron tới vùng thu → I_C gần bằng dòng electron phun vào.

Xem lời đọc

Electron vào vùng nền thì khuếch tán về phía vùng thu, vì gần vùng phát chúng nhiều còn gần vùng thu gần như không có. Vùng nền rất mỏng, nên đa số electron đi hết quãng đường này. Tới vùng nghèo phía vùng thu, điện trường kéo chúng sang vùng thu. Từ đó electron chạy tới dây nối vùng thu và rời khỏi linh kiện. Bạn nhìn ampe kế ở dây vùng thu: kim chỉ gần cuối thang.

Vùng nền mỏng nghĩa là bề dày vùng nền nhỏ hơn nhiều so với diffusion length (chiều dài khuếch tán) của electron trong vùng nền. Vì vậy gần hết electron đi hết vùng nền mà chưa kịp tái hợp, nhưng không phải tất cả: phần còn lại tái hợp trong vùng nền.

Tại vùng nghèo nền–thu, điện trường nội tại hướng từ vùng thu (loại n) sang vùng nền (loại p) nên đẩy electron về phía vùng thu. Hình vẽ bề dày vùng nền theo tỉ lệ 0,3 µm trên tổng 3,3 µm của linh kiện; số đo thật ghi ở mục Số liệu.

Trong bộ giải 1D của hình, trong 1000 electron rời vùng phát có 999 electron tới vùng thu.

Dòng nền gồm phun lỗ trống và tái hợp

Base current (dòng nền) nhỏ, vì nó chỉ bù hai phần mất lỗ trống của vùng nền: lỗ trống phun sang vùng phát và lỗ trống tái hợp với electron trong vùng nền.

Một số ít electron tái hợp với lỗ trống ngay trong vùng nền; lỗ trống của vùng nền cũng bị phun ngược sang vùng phát.

Hai cách mất lỗ trống trong vùng nền → dây nền cấp lỗ trống bù → I_B nhỏ.

Xem lời đọc

Không phải electron nào cũng tới được vùng thu. Một số ít gặp lỗ trống ngay trong vùng nền và tái hợp. Đồng thời, hàng rào nhỏ đi cũng cho lỗ trống của vùng nền phun ngược sang vùng phát, rồi tái hợp ở đó. Cả hai cách đều làm vùng nền mất lỗ trống. Dây nền cấp lỗ trống mới để bù, và đó là dòng nền. Bạn nhìn ampe kế ở dây nền: kim chỉ rất thấp.

Vùng phát được pha tạp nhiều hơn vùng nền nhiều lần, nên với cùng độ giảm hàng rào, số electron phun từ vùng phát sang vùng nền lớn hơn rất nhiều số lỗ trống phun từ vùng nền sang vùng phát.

Lỗ trống phun sang vùng phát tái hợp với electron ở đó; hình vẽ gọn bằng cách cho chúng tái hợp ngay gần tiếp giáp, còn thực tế chúng có thể đi thêm một đoạn rồi mới tái hợp. Electron cần cho các tái hợp này do dây nối vùng phát cấp thêm.

Trong bộ giải 1D, lỗ trống phun ngược chiếm khoảng 96 % dòng nền, phần còn lại là tái hợp; cứ khoảng 44 electron phun vào vùng nền thì có 1 lỗ trống phun ngược. Số chấm trên hình chỉ lấy tỉ lệ này làm minh họa.

Hệ số khuếch đại dòng β

Current gain (hệ số khuếch đại dòng chung emitter) β là tỉ số dòng cực thu chia dòng cực nền, β = I_C/I_B, trong chế độ tích cực thuận; với cấu trúc của hình, β cỡ 40.

I_C là dòng electron tới vùng thu; I_B chỉ là phần bù lỗ trống phun ngược và tái hợp.

I_C lớn hơn nhiều I_B → β lớn → dòng nhỏ ở vùng nền điều khiển dòng lớn ở vùng thu.

Xem lời đọc

Giờ ta đọc hai ampe kế cạnh nhau. Dòng thu là dòng của phần lớn số electron đã phun vào mà tới được vùng thu. Dòng nền chỉ gồm phần lỗ trống phun ngược và phần tái hợp. Chia dòng thu cho dòng nền, ta được hệ số khuếch đại dòng. Vì dòng thu lớn hơn nhiều dòng nền, hệ số này lớn, với cấu trúc này cỡ bốn mươi. Một dòng nhỏ ở vùng nền điều khiển một dòng lớn ở vùng thu. Điều này chỉ đúng ở chế độ tích cực thuận.

Hệ thức I_C ≈ β I_B chỉ dùng trong chế độ tích cực thuận. I_B tỉ lệ với I_C vì cả hai cùng do V_BE quyết định; còn hệ số tỉ lệ β do cấu trúc linh kiện quyết định (pha tạp, bề dày vùng nền), và cũng phụ thuộc nhiệt độ và mức I_C, nên β không phải hằng số của vật liệu.

Bộ giải 1D (V_BE = 0,65 V, V_CB = 2 V) cho I_C = 0,2675 mA, I_B = 6,32 µA, β ≈ 42. β phụ thuộc cấu trúc và mô hình: bỏ hiệu ứng thu hẹp vùng cấm thì bộ giải cho β cỡ 155, bỏ tái hợp SRH thì cỡ 49.

PNP: đảo cực tính, hạt được phun là lỗ trống

Với PNP, hai nguồn đảo cực tính và vai trò đổi cho nhau: lỗ trống từ vùng phát được phun vào vùng nền và vùng thu thu chúng.

Điều kiện của chế độ tích cực thuận là V_BE âm và V_BC dương; vùng nền lúc này là vùng loại n.

Đảo cực tính → lỗ trống thành hạt được phun → cùng cơ chế, cùng cách đọc β.

Xem lời đọc

Với linh kiện pi nờ pi, ta đảo cực tính hai nguồn. Vùng phát và vùng thu giờ là vùng loại pi, còn vùng nền là vùng loại nờ. Lỗ trống từ vùng phát được phun vào vùng nền mỏng, đi qua, rồi vùng thu thu chúng. Dòng nền lúc này là dây nền cấp electron để bù phần phun ngược và phần tái hợp. Cơ chế y hệt, chỉ đổi vai trò giữa electron và lỗ trống. Hệ số khuếch đại dòng vẫn đọc bằng dòng thu chia dòng nền.

	NPN	PNP
Hạt được phun từ vùng phát	electron	lỗ trống
Điều kiện tích cực thuận	V_BE dương, V_BC âm	V_BE âm, V_BC dương
Dòng nền bù	lỗ trống	electron

Giản đồ dải của PNP là giản đồ NPN lật dọc theo trục năng lượng: vùng nền loại n nằm thấp hơn hai vùng loại p, nên với lỗ trống nó là hàng rào ở hai tiếp giáp, giống vùng nền loại p của NPN với electron. Lỗ trống tự đi về phía năng lượng của lỗ trống nhỏ hơn, tức lên cao hơn dọc E_V trên giản đồ.