Chế độ hoạt động transistor (Transistor Operating Regions)

1. Transistor lưỡng cực (BJT)

BJT có ba vùng hoạt động chính:

• Ngắt (Cut-off): Trong chế độ này, cả hai mối nối B-E và B-C đều phân cực ngược. Do đó, gần như không có dòng điện chạy qua transistor ($I_C \approx 0$ và $I_B \approx 0$). Transistor hoạt động như một công tắc mở. Điều kiện: $V_{BE} < V_{BE(on)}$ và $V_{BC} < 0$.
• Khuếch đại (Active/Linear): Đây là vùng hoạt động quan trọng nhất của BJT, được sử dụng để khuếch đại tín hiệu. Mối nối B-E phân cực thuận và mối nối B-C phân cực ngược. Dòng collector $I_C$ tỉ lệ với dòng base $I_B$ theo hệ số khuếch đại dòng $h_{FE}$ (hay $\beta$): $I_C = \beta I_B$. Điều kiện: $V_{BE} > V_{BE(on)}$ và $V_{BC} < 0$.
• Bão hòa (Saturation): Trong chế độ này, cả hai mối nối B-E và B-C đều phân cực thuận. Transistor hoạt động như một công tắc đóng. Dòng collector $I_C$ bị giới hạn bởi điện áp nguồn và điện trở tải. $V_{CE}$ rất nhỏ, gần bằng 0. Điều kiện: $V_{BE} > V_{BE(on)}$ và $V_{BC} > 0$.

2. Transistor hiệu ứng trường (FET)

FET cũng có ba vùng hoạt động chính:

• Ngắt (Cut-off): Tương tự như BJT, trong chế độ này, không có dòng điện chạy qua transistor ($I_D \approx 0$). Transistor hoạt động như một công tắc mở. Đối với MOSFET kênh N, điều kiện là $V_{GS} V_{th}$.
• Tuyến tính (Linear/Triode/Ohmic): Trong vùng này, transistor hoạt động như một điện trở biến thiên, giá trị điện trở được điều khiển bởi điện áp $V_{GS}$. Dòng drain $I_D$ tỉ lệ với $V_{GS}$ và $V_{DS}$. Đối với MOSFET kênh N, điều kiện là $V_{GS} > V_{th}$ và $V_{DS} < V_{GS} – V_{th}$. Đối với MOSFET kênh P, điều kiện là $V_{GS} V_{GS} – V_{th}$.
• Bão hòa (Saturation): Đây là vùng hoạt động chính của FET dùng để khuếch đại tín hiệu. Dòng drain $I_D$ gần như không phụ thuộc vào $V_{DS}$ mà chỉ phụ thuộc vào $V_{GS}$. Đối với MOSFET kênh N, điều kiện là $V_{GS} > V_{th}$ và $V_{DS} \ge V_{GS} – V_{th}$. Đối với MOSFET kênh P, điều kiện là $V_{GS} < V_{th}$ và $V_{DS} \le V_{GS} – V_{th}$.

Ứng dụng của các chế độ hoạt động

Các chế độ hoạt động khác nhau của transistor cho phép chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm:

• Khuếch đại tín hiệu: Chế độ hoạt động được sử dụng là vùng khuếch đại (BJT) hoặc vùng bão hòa (FET).
• Chuyển mạch: Chế độ ngắt và bão hòa được sử dụng để đóng/ngắt dòng điện, ví dụ như trong các mạch logic kỹ thuật số.
• Điều khiển dòng điện: Chế độ tuyến tính của FET được sử dụng để điều khiển dòng điện chạy qua tải.

Hy vọng bài viết này cung cấp cho bạn cái nhìn tổng quan về các chế độ hoạt động của transistor. Việc hiểu rõ các chế độ này là rất quan trọng để thiết kế và phân tích các mạch điện tử.

Phân tích sâu hơn về các vùng hoạt động

1. BJT

• Vùng ngắt: Dòng rò rất nhỏ vẫn tồn tại, nhưng thường không đáng kể trong hầu hết các ứng dụng. Điện trở giữa Collector và Emitter ($R_{CE}$) rất lớn.
• Vùng khuếch đại: Mối quan hệ giữa $I_C$ và $I_B$ được mô tả bởi $I_C = \beta I_B$, với $\beta$ là hệ số khuếch đại dòng DC. Tuy nhiên, $\beta$ không phải là hằng số và phụ thuộc vào nhiệt độ, dòng điện và điện áp. Ngoài ra, $I_C$ cũng phụ thuộc vào $V_{CE}$ (hiệu ứng Early). Trong vùng này, transistor có thể khuếch đại tín hiệu nhỏ đặt vào cực Base.
• Vùng bão hòa: $V_{CE}$ giảm xuống giá trị rất nhỏ, gọi là $V_{CE(sat)}$, thường khoảng 0.1V – 0.3V. Dòng $I_C$ bị giới hạn bởi mạch ngoài và không còn tỉ lệ thuận với $I_B$.

2. FET

• Vùng ngắt: Tương tự BJT, dòng rò nhỏ vẫn tồn tại. Điện trở giữa Drain và Source ($R_{DS}$) rất lớn.
• Vùng tuyến tính (hay Triode/Ohmic): Dòng $I_D$ có thể được xấp xỉ bằng công thức: $I_D = k[(V_{GS} – V_{th})V_{DS} – \frac{1}{2}V_{DS}^2]$, với $k$ là hằng số phụ thuộc vào transistor. Khi $V_{DS}$ nhỏ, $I_D$ gần như tỉ lệ với $V_{DS}$, giống như một điện trở.
• Vùng bão hòa: Dòng $I_D$ được xấp xỉ bởi công thức: $I_D = \frac{1}{2}k(V_{GS} – V_{th})^2$. Trong vùng này, $I_D$ gần như không phụ thuộc vào $V_{DS}$.

Biểu đồ đặc tuyến

Biểu đồ đặc tuyến là công cụ hữu ích để hình dung các vùng hoạt động của transistor. Đối với BJT, đó là biểu đồ $IC$ theo $V{CE}$ với $I_B$ là tham số. Đối với FET, đó là biểu đồ $ID$ theo $V{DS}$ với $V_{GS}$ là tham số. Các vùng hoạt động được phân định rõ ràng trên các biểu đồ này. Việc phân tích biểu đồ đặc tuyến giúp ta xác định chính xác vùng hoạt động của transistor dựa trên các giá trị điện áp và dòng điện.

So sánh BJT và FET

• Microelectronic Circuits, Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith, Oxford University Press.
• The Art of Electronics, Paul Horowitz and Winfield Hill, Cambridge University Press.
• Electronic Devices and Circuit Theory, Robert L. Boylestad and Louis Nashelsky, Pearson Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao vùng khuếch đại của BJT lại quan trọng trong các ứng dụng khuếch đại tín hiệu?

Trả lời: Vùng khuếch đại của BJT cho phép dòng collector $I_C$ thay đổi tỉ lệ với dòng base $I_B$ theo hệ số khuếch đại $\beta$. Nhờ đó, một tín hiệu nhỏ ở đầu vào (cực Base) có thể tạo ra tín hiệu lớn hơn ở đầu ra (cực Collector), đạt được mục đích khuếch đại.

Sự khác biệt chính giữa vùng bão hòa của BJT và vùng bão hòa của MOSFET là gì?

Trả lời: Trong vùng bão hòa của BJT, cả hai mối nối B-E và B-C đều phân cực thuận và transistor hoạt động như một công tắc đóng. Còn trong vùng bão hòa của MOSFET, $ID$ gần như không phụ thuộc vào $V{DS}$ và được điều khiển chủ yếu bởi $V_{GS}$. Đây là vùng hoạt động chính của MOSFET dùng cho khuếch đại.

Tại sao FET có trở kháng đầu vào cao hơn BJT?

Trả lời: Đầu vào của FET là cực Gate, được cách ly với kênh dẫn bởi lớp cách điện (oxit kim loại). Do đó, dòng điện đầu vào gần như bằng không, dẫn đến trở kháng đầu vào rất cao. Ngược lại, đầu vào của BJT là mối nối B-E phân cực thuận, có dòng điện chạy qua, dẫn đến trở kháng đầu vào thấp hơn.

Làm thế nào để xác định vùng hoạt động của một transistor trên biểu đồ đặc tuyến?

Trả lời: Bằng cách xác định giá trị của các điện áp và dòng điện đặt vào transistor (ví dụ $V_{CE}$ và $IB$ cho BJT, $V{DS}$ và $V_{GS}$ cho MOSFET), ta có thể xác định điểm làm việc của transistor trên biểu đồ đặc tuyến. Vị trí của điểm làm việc này sẽ cho biết transistor đang hoạt động ở vùng nào (ngắt, khuếch đại/tuyến tính, hay bão hòa).

Tại sao cần quan tâm đến công suất tiêu thụ của transistor?

Trả lời: Công suất tiêu thụ của transistor ảnh hưởng đến hiệu suất năng lượng của mạch và sinh nhiệt. Công suất tiêu thụ quá cao có thể dẫn đến quá nhiệt và làm hỏng transistor. Do đó, việc lựa chọn transistor có công suất tiêu thụ phù hợp với ứng dụng là rất quan trọng.