Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: BJT - Hồ Trung Mỹ

ong các ứng dụng cần tốc độ chuyển mạch nhanh.
24
Schottky transistor
• MOTIVATION: Do not let the transistor
go into deep saturation during switching.
25
5.7 Các mô hình của BJT
1. Mô hình tín hiệu lớn
1) Mô hình Ebers-Moll (mô tả cho bất cứ chế độ làm 
việc nào và là cơ sở cho mô hình BJT trong SPICE)
2) Mô hình Gummel-Poon (có kể đến sự tái hợp khi xét 
các dòng điện)
3) Xét từng chế độ làm việc khác nhau
2. Mô hình tín hiệu nhỏ (dùng cho chế độ khuếch 
đại, tín hiệu nhỏ)
26
Chế độ
BJT
Tích cực thuận Bão hòa Tắt
Mô hình tín hiệu lớn (tần số thấp)
IE = IB = IC = 0
Chú ý: 
• Với chế độ tích cực thuận, ta có thể dùng mô hình sụt áp hằng cho JE khi tính toán
• Với chế độ bão hòa, người ta cũng dùng mô hình với VBE = VBEsat = 0.8V (Si NPN)
IB > IC
IB > 0 và VCE > VCE(sat)
IB > 0 và VEC > VEC(sat) Si: VEB(on)= 0.7V và VEC(sat)=0.2V
Si: VBE(on)= 0.7V và VCE(sat)=0.2V
27
Mô hình tín hiệu lớn của BJT – NPN (chế độ KĐ)
28
TD: BJT hoạt động như khóa điện tử
vI= VIL=0V BJT tắt ( OFF) vC=VCC
vI = VIH=5V BJT bão hòa (ON) vC=VCEsat
+10V
+5V
Cho trước =50 150 và RC =1 K. Tìm RB?
Khi bão hòa ta có VCEsat= 0.2V (Si) và
minIBsat > ICsat
với min = 50 
ICsat = (VCC – VCEsat)/RC
IBsat = (VIH – VBEsat)/RB
Suy ra :
RB < minRC(VIH – VBEsat)/(VCC – VCEsat)
+Nếu VIH >> VBEsat và VCC >> VCEsat ta có:
RB < minRCVIH/VCC
29
Hoạt động tín hiệu nhỏ và mô hình
0.4VV
operation, mode-activefor 
RIVVV
/βII
/αII
eII
BC
CCCCCEC
CB
CE
T/VBEV
SC
Với chế độ tích cực thuận, phân cực
30
Cụ thể, nếu vbe 10 mV tín hiệu nhỏ
Tbe
T
be
C
T/Vbev
CC
)T/Vbe(v)T/VBE(V
S
T)/VbevBE(V
S
T/VBEv
SC
beBEBE
V vif)
V
v
(1IeIi
is,That 
eeI
eIeIi
becomescurrent collector the
 terminal;base at the applied is
vVv
ltgaeemitter vo-base ousinstantane totalThe
Điện áp B-E tổ g cộng tức thời
được đưa vào chân B, và dòng 
cực thu là
Nghĩa là
nếu vbe << T
31
CICiBE
C
T
C
m
m
bembe
T
C
c
be
T
C
CcCC
v
i
V
I
g
is g uctance transcond thewhere
vgv
V
I
i
iscurrent collector signal small The
v
V
I
IiIi
:AC DCcurrent" total"on Based
 

Hoạt động tuyến tính của BJT dưới điều kiện tín hiệu nhỏ: Tín hiệu nhỏ vbe với 
dạng sóng tam giác được xếp chồng lên điện áp DC VBE. Nó làm xuất hiện dòng 
tín hiệu ở cực thu ic, cũng có dạng sóng tam giac, được xếp chồng lên dòng DC 
IC. Ở đây, ic = gmvbe, với gm là độ dốc của đường cong iC–vBE tại điểm tĩnh Q.
 Dựa trê dòng toàn phần = DC + AC:
Dòng thu tín hiệu nhỏ là
với hỗ dẫn gm là
32
 Phát triển mô hình tín hiệu nhỏ:
C
A
o
o
m
Tbe
I
V
r
is know, weas , r resistanceoutput The
finite. is resistanceoutput theeffect,Early the toDue
infinite"." is resistanceoutput theIdeally,
:ResistanceOutput 
.g uctance transcondwith the
source"current controlled voltage" a as behavesr transistothe
Vv
signals smallfor that suggests analysis above The
P ân tích trên đề xuất đối với tín hiệu nhỏ
BJT hoạt động như “nguồn dòng được điều khiển 
bằng áp” với hỗ dẫn gm.
Điện trở ra
Lý tưởng thì điện trở ra là “vô cực”( )
o hiệu ứng Early, điện trở ra thì hữu hạn.
Điện trở ra r0 là
33
.
I
V
v
i
r hand,other On the
I
V
)/V(I
β
g
β
i
v
r
is ,r as denoted ,resistanceinput signal-small The
v
β
g
v
V
I
β
1
i
iscurrent base signal-small theTherefore,
iIv
V
I
β
1
β
I
i
is, that ,
β
i
icurrent base totalThe
:base at the resistanceInput andcurrent Base
B
T
1
be
B
π
B
T
TCmb
be
π
π
be
m
be
T
C
b
bBbe
T
CC
B
C
B


 
Dòng nề và điện trở vào ở miền nền
Dòng nền toàn phần là nghĩa là
Do đó dòng nền tín hiệu nhỏ là
Điện trở vào tín hiệu nhỏ r là 
Mặ khác, ta có
34
mmE
E
e
eb
e
be
e
e
be
T
E
be
T
Cc
e
eE
cCC
E
E
g
1
g
α
I
V
)
i
v
(
i
v
r
by defined
becan it ,rby emitter, theinto looking emitter, and
basebetween resistance signal-small a denote weIf
v
V
I
v
Vα
I
α
i
i
iscurrent emitter signal-small theis,That 
iI
α
i
α
I
α
i
i
is icurrent emitter totalThe
:Emitter at the ResistanceInput theandcurrent Emitter 
 
Dòng phát và điện trở vào ở cực phát
Dòng phát toàn phần là
Nghĩa là dòng phát tí hiệu nhỏ là 
Nếu ta định nghĩa điện trở tín hiệu nhỏ giữa cực nền 
và cực phát , nhìn vào cực phát, là re (hoặc r’e). Khi 
đó re được tính như sau
35
ee
b
e
π
eeπbbe
r1)(βr
i
i
r have wethus
ririvSince
T
CC
Cm
be
c
v
v
beCmCbemCcc
c
CcCCcCCCC
CcCCC
CCCCC
C
V
RI
Rg
v
v
A
is Aamplifier thisofgain voltage theThus
)vR(g)Rv(gRiv
is v voltagesignal small The
RiVRi)RI(V
)Ri(IV
RiVv
is vvoltagecollector totalThe
signal)-(small :Gain Voltage
 
Vì
Như vậy ta có
• Độ lợi áp (tín hiệu nhỏ)
Điện áp toàn phần tại cực thu là
Điện áp tín h ệu nhỏ vC là 
Như vậy độ lợi áp AV của mạch khuếch đại này là 
36
 Các mô hình tín hiệu nhỏ: Mô hình hỗn hợp và mô hình T
Từ phân tích trên, ta có thể tách riêng ra các đại lượng DC và 
tín hiệu để đơn giản hóa việc phân tích
Hai phiên bản hơi khác nhau của mô hình pi được đơn giản hóa khi phân tích hoạt 
động tín hiệu nhỏ của BJT. Mạch tương đương trong (a) biểu diễn BJT như nguồn 
dòng được điều khiển bằng áp (mạch khuếch đại xuyên dẫn [transconductance 
amplifier]), và trong in (b) biểu diễn BJT như nguồn dòng được điều khiển bằng 
dòng (mạch khuếch đại dòng [current amplifier]).
Mô hình hỗn hợp ( Hybrid- Model )
37
Mô hình T
Chú ý: cả hai mô hình được xem như
 (a) nguồn dòng được điều khiển bằng áp, và
 (b) nguồn dòng được điều khiển bằng dòng.
38
 Các bước phân tích mạch BJT tín hiệu nhỏ
Cm
mE
T
e
mT
C
Rg
gI
V
r
g
r
V
I
v
m
C
A 
gain voltage thesay, ,quantities required 
 thedetermine circuit to resulting theAnalyze 5.
model. signal-small its of one with BJT theReplace 4.
circuitopen sourceCurrent 
circuitshort source Voltage 
 :by sources DC theEliminate .3
;;g 
of valuesparameter theCalculate .2
.Icurrent collector DC get the and 
) given a(for point operation dc theDetermine .1
 

Xác định điểm hoạt động DC (với  cho trước) và có 
được dòng thu DC IC.
Tính các tham số tín hiệu nhỏ của BJT
Khử các nguồn DC bằng cách:
 Nguồn áp Ngắn mạch
 Nguồn dòng Hở mạch
Thay thế BJT bằng 1 tr g các mô hình tín hiệu nhỏ
Phân tích mạch có được để xác định các đại lượng 
mong muốn, thí dụ: với mạch trước có độ lợi áp là
39
TD: Giả sử =100. Tìm độ lợi áp tín hiệu nhỏ vo/vi.
Ở chế độ tích cực thuận |VBE|=0.7V
iCbemo
ii
BBπ
π
be
m
π
T
C
m
3.04vRvgv
0.011vv
Rr
r
v
1.09KΩ
92
100
g
β
r
92mA/V
25mV
2.3mA
V
I
g
40
 Mô hình tín hiệu nhỏ có kể đến hiệu ứng Early (có thêm 
điện trở ra r0)
 Ω
I
V
I
VV
r
c
A
C
CEA
o 
Nguồn dòng được điều khiển bằng áp Nguồn dòng được điều khiển bằng dòng.
41
Biến đổi mô hình
42
Graphical determination of ac emitter resistance.
BE
e
E
V
r
I
25mV
e
E
r
I
 (ở 300K)
43
Xác định ac.
IB
IC
Q
IB
IC
C c
ac
B b
I i
I i

hFE = dc beta
hfe = ac beta
44
Các đại lượng AC trong bảng dữ liệu
Bốn tham số h truyền thống:
• hfe là độ lợi dòng AC (mắc CE)
• hie = r là tổng trở vào (mắc CE)
• bac = hfe
• re’ = hie/hfe
• hre và hoe không cần cho các thiết kế cơ bản và 
troubleshooting
45
Mô hình pi hỗn hợp 
(tín hiệu nhỏ) của BJT
• Mô hình tín hiệu nhỏ pi-hỗn 
hợp là biểu diễn tần số thấp của 
BJT.
• Các tham số tín hiệu nhỏ bị 
điều khiển bởi điểm Q.
Hỗ dẫn:
gm 
I
C
V
T
 40I
C
Điện trở vào (hay hie):
r 
oVT
I
C
o
gm
Điện trở ra (hay 1/hoe)
ro 
V
A
 V
CE
I
C
với VA là điện áp Early
46
The Hybrid Equivalent Model
Hybrid model is derived from two-port system.
47
Six Circuit-Parameter Models for Two-
Port Systems
Independent 
Variables
Dependent
Variables Circuit Parameters
I1, I2 V1, V2 Impedance Z
V1, V2 I1, I2 Admittance Y
V1, I2 I1, V2 Inverse Hybrid g
I1, V2 V1, I2 Hybrid h
V2, I2 V1, I1 Transmission T
V1, I1 V2, I2 Inverse Transmission T’
48
Equations for Hybrid Model
1 11 1 12 2
2 21 1 22 2
V h I h V
I h I h V
Let V1 = Vi, I1 = Ii, V2 = Vo, and I2 = Io.
Then
11 12
21 22
i i o
o i o
V h I h V
I h I h V
49
Equivalent Circuit for
Hybrid Model
11 12
21 22
i i o i i r o
o i o f i o o
V h I h V h I h V
I h I h V h I h V
50
h-Parameters
h11 = hi = Input Resistance
h12 = hr = Reverse Transfer Voltage Ratio
h21 = hf = Forward Transfer Current Ratio
h22 = ho = Output Admittance
11 12
21 22
0 0
0 0
i i
o ii o
o o
o ii o
V V
h h
V II V
I I
h h
V II V
51
h-Parameters for CE Amp.
• hie = the base input impedance
• hfe = the base-to-collector current gain
• hoe = the output admittance
• hre = the reverse voltage feedback ratio
be ie b re ce
c fe b oe ce
v h i h v
i h i h v
52
Hybrid Model for
CE Configuration
in (output shorted)
 (output shorted)
ie
b
c
fe
b
v
h
i
i
h
i
 (input open)
 (input open)
c
oe
ce
be
re
ce
i
h
v
v
h
v
May be 
neglected.
53
h-parameters of 2N3904
54
Hybrid Model without hre and hoe
fe ach  
 in(base)1ie fe e fe eh h r h r Z  
in C
i fe
ie L
Z r
A h
h R
fe C
v
ie
h r
A
h
55
Determining h-Parameter Values
Use geometric means if given max. and min. values.
(min) (max)ie ie ieh h h 
(min) (max)fe fe feh h h 
56
Typical amplifiers
RCR1
R2
RE
Load
VCC
Q1
RD
R1
RS
Load
VCC
Q1
Rin
Load
+V
-V
Rf
BJT 
Amplifier
JFET 
Amplifier
Op-Amp Based 
Amplifier
57
General amplifier models.
Vout
Vout
Vin
Vin
58
Gain symbols.
Type of Gain Symbol Relation
Voltage Av
Current Ai
Power Ap
out
in
i
i
A
i
out
in
v
v
A
v
out
in
p
P
A
P
59
Example
The symbol shown in Fig. 8.3 is a generic symbol for an amplifier. 
Calculate the voltage gain for the amplifier represented in the figure.
A
400 V 250mV
out
in
250mV
625
400μVv
v
A
v
60
Voltage amplifier model.
in
in
in
S
S
Z
v v
R Z
 out inv
v A v 
out
out
L
L
L
R
v v
Z R
(eff )
L
v
S
v
A
v
61
Combined effects of the input and 
output circuits
Zin
980
Zout
250
vout
RL
1.2k
RS
20
vS
15mV vin vL
Av=340
 inin
in
980Ω
15mV
1kΩ
14.7mV
S
S
Z
v v
R Z
out in 340 14.7mV
5V
vv A v 
 out
out
1.2kΩ
5V
1.45kΩ
4.14V
L
L
L
R
v v
Z R
 eff
4.14V
276
15mV
L
v
S
v
A
v
62
Voltage Amplifier Characteristics
Ideal:
• Any value of voltage gain (can be infinite if needed)
• Infinite input impedance
• Zero output impedance
Practical:
• Certain value of gain (cannot reach infinity).
• High input impedance
• Low output impedance
63
BJT Amplifier Configurations
• Common-emitter (CE) amplifier
• Common-collector (CC) amplifier
• Common-base (CB) amplifier
64
Property ranges
Property Low Midrange High
Gain 1000
Impedance 10k
65
Common-emitter (CE) amplifier
•Midrange values of 
voltage and 
current gain.
•High power gain
•Midrange input 
impedance
•Midrange output 
impedance
66
Common-collector (CC) amplifier
+VCC
Load
2Vpp
1.8Vpp
vout
vin
•Midrange current gain.
•Extremely low voltage gain
•High input impedance
•Low output impedance
67
Common-base (CB) amplifier
• Midrange voltage gain
• Extremely low current gain (slightly less than 1)
• Low input impedance
• High output impedance
Load
+VCC
-VEE
20mVpp
vin
2Vpp
vout
68
A comparison of CE, CC, and CB circuit 
characteristics
Type Av Ai Ap Zin Zout
CE Midrange Midrange High Midrange Midrange
CC < 1 Midrange Ai High Low
CB Midrange < 1 Av Low High
 p v iA A A 
69
BJT Terminal Connections
Type Emitter Base Collector
CE Common Input Output
CC Output Input Common
CB Input Common Output
70
Amplifier Classifications
• Class A – low distortion, high loss
• Class B – some distortion, lower loss
• Class C – high distortion, lowest loss
• Others
– Classes D, E, G, H, T
71
t
IC
t
IC
t
IC
t
IC
ISAT
A B
C D
Các lớp hoạt động
Class A : Linear
Class B, AB: Linear* (Complementary)
Class C: Nonlinear (RF, Tuned)
Class D and E: Switching (Linear Audio)
Các hoạt động lớp A, B, và C (phân loại theo 
dạng dòng collector trong 1 chu kỳ)
72
Class A Amplifiers
Conduction: Transistor conducts 
during 360 deg. of ac input.
Maximum theoretical eff.: 25%
Distortion: Little (subject to 
nonlinear distortion.)
73
Class B Amplifiers
Conduction: Each transistor 
conducts for 180 deg. of ac input.
Maximum theoretical eff.: 78.5%
Distortion: Little. Crossover 
distortion is most common.
74
Class C (Tuned) Amplifiers
Conduction: Each transistor 
conducts for less than 180 deg. 
of ac input.
Maximum theoretical eff.: 99%
Distortion: Mild to severe.
75
Decibels (dB)
out
(dB)
in
10log 10 log dBp p
P
A A
P
dB Value Ap dB Value Ap
3 2 -3 1 / 2
6 4 -6 1 / 4
12 16 -12 1 / 16
20 100 -20 1 / 100
76
dB gains are additive
77
The dBm Reference
(dBm) 10log 1mWp
P
A 
dB Voltage Gain
 out(dB) (dB) out in
in
20log 20logp v v
v
A A A R R
v
2
out out outin in
(dB) 2
in out in in out
10log 10log 20log 10logp
P v vR R
A
P R v v R
78
Dữ liệu của 1 số BJT thông dụng
79
80
5.8 Các BJT khác
• Darling ton Transistor 
• Polysilicon emitter Transistor 
• Heterojunction bipolar transistor (HBT)=transistor lưỡng 
cực chuyển tiếp dị thể
• Phototransistor = transistor quang
81
5.8.1 Cấu hình Darlington
Làm cho độ lợi dòng  rất cao, 
thường dùng trong các mạch cần 
dòng IC cao (nhiều Amperes), và ta 
muốn điều khiển nó với dòng nền 
nhỏ. Và  cũng làm cho điện trở 
vào cao. 
Ta có thể nối 2 BJT rởi thành 1 
transistor Darlington hay mua loại 
người ta đã chế tạo sẵn.
IB,2= IE,1
IC,2
IE,2
IB,1 IC,1
Với hình trên ta thấy rằng quan hệ giữa IB1 và IC2 là IC2=IB1 với 
 = 12
VBE tương đương là 2xVON ( 1.4V) và VCEsat lớn hơn (thường thì 
~1 V).
82
Cấu hình Darlington (2) 
Vì để có tốc độ chuyển nhanh và để bảo vệ BJT, trong đóng gói 
sẵn của BJT Darlington thường có các điện trở và diode. 
Darlington tiêu biểu là TIP140 có thể làm việc với 10A, có độ 
lợi dòng cao  ít nhất 1000.
Darlington tín hiệu nhỏ có thể có  cỡ hàng 100 000!.
TIP-141
83
84
5.8.2 Polysilicon emitter BJT 
• PET được dùng IC
85
5.8.3 Heterojunction bipolar transistors 
Chú ý: HBT được dùng các ứng dụng tốc độ cao/tần số cao
86
5.8.4 Phototransistor (transistor quang)
87
n-type
p-type
n
Emitter Base
Collector
Window
Cấu trúc của phototransistor
88
Phototransistors
• Photodiode với mạch KĐ (transistor)
• Ánh sáng chiếu vào tiếp xúc B-E (JE).
• Dòng Collector IC là hàm tuyến tính của sự tới bức xạ (giả sử 
=const).
• Dãi tuyến tính thì hẹp hơn nhiều so với photodiode hay 
quang trở.
• Đặc tuyến IC theo VCE được vẽ theo các bước của sự tới 
bức xạ.
• Độ nhạy của phototransistor (RE) tốt hơn độ nhạy của 
photodiode
89
Phototransistor
• Không nhanh bằng photodiode.
• Sử dụng như transistor, ngoại 
trừ không cần dòng nền.
90
TD: Đặc tuyến của phototransistor
91
Phototransistor