Bipolar Junction Transistor บทที่ 4 Bipolar Junction Transistor 4.1 โครงสร้างทางกายภาพ 4.2 การทำงานเชิงกายภาพของ BJT ชนิด NPN 4.3 การทำงานเชิงกายภาพของ BJT ชนิด PNP 4.4 แบบจำลอง BJT 4.5 แบบจำลองสัญญาณขนาดเล็ก 4.6 RTL Logic Inverter 4.7 การใช้ BJT เป็นสวิตช์ขับกระแส 4.8 การใช้ BJT ในวงจรขยาย 4.9 การไบอัส BJT 4.10 วงจรขยาย BJT

ในบทที่แล้วเราศึกษาไดโอดซึ่งเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำสองขั้วต่อ Introduction ในบทที่แล้วเราศึกษาไดโอดซึ่งเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำสองขั้วต่อ ในบทนี้เราจะศึกษาถึงอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำสามขั้วต่อ ซึ่งมีประโยชน์ใน การใช้งานมากมาย อาทิ การขยายสัญญาณ เป็นสวิตช์ และหน่วยความจำ อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำสามขั้วต่อนี้มีชื่อเรียกโดยทั่วไปว่า "ทรานซิสเตอร์ (Transistor)" ทรานซิสเตอร์แบ่งออกเป็นสองชนิดใหญ่ๆ คือ ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ (Bipolar Junction Transistors: BJTs) ทรานซิสเตอร์แบบเฟต (Field-Effect Transistors: FETs)

4.1 โครงสร้างทางกายภาพ

ตัวถังของทรานซิสเตอร์ TO-92 TO-3 TO-126 TO-5 TO-18 TO-220

การเชื่อมต่อตัวทรานซิสเตอร์มายังตัวถัง TO-92 ภาพตัดขวางของ die

สภาวะการทำงาน NPN PNP โดยทั่วไป VBE(on) ~ 0.6 - 0.7 V และ VBC(on) ~ 0.4 - 0.5 V

4.2 การทำงานเชิงกายภาพของทรานซิสเตอร์ชนิด NPN ย่าน cut-off ถ้ารอยต่อ BE และ BC อยู่ในสภาวะ off แล้วกระแสที่ไหลผ่านรอยต่อทั้งสองจะต่ำมากจนเราสามารถประมาณได้ว่า iB = iC = iE = 0 จะเห็นได้ว่าในย่านนี้ ขา C และ E จะเสมือนถูกตัดขาดออกจากกัน

ย่าน forward active

โดย IS คือกระแสอิ่มตัวซึ่งมีค่าผกผันกับความกว้างเบส โดยทั่วไป β ของ NPN ~ 100-250

ย่าน saturation ถ้ารอยต่อ BC อยู่ในสภาวะ on จะเกิดกระแส idiffไหลข้ามรอยต่อ BC ในทางเดียวกับกระแสเบสและไหลสวนทางกับกับกระแสคอลเลกเตอร์ ด้วยเหตุนี้เมื่อเทียบกับในย่าน forward active กระแสเบสในย่านอิ่มตัวจะมีค่าสูงขึ้นในขณะที่กระแสคอลเลกเตอร์จะมีค่าต่ำลง ส่งผลให้ iC/iB < β

เนื่องจากโดยทั่วไป VBE(on) ~ 0. 7 V และ VBC(on) ~ 0 เนื่องจากโดยทั่วไป VBE(on) ~ 0.7 V และ VBC(on) ~ 0.5 V ดังนั้นทรานซิสเตอร์จะเข้าสู่ย่านอิ่มตัวเมื่อแรงดัน VCE มีค่าต่ำกว่าประมาณ 0.2 V เพื่อความสะดวกเราจะเรียกแรงดันดังกล่าวนี้ว่า VCE(sat) โดยสำหรับ BJT แบบซิลิกอนจะมีค่า VCE(sat) อยู่ราว ๆ 0.1 – 0.3 V เพื่อเป็นการแสดงความแตกต่างระหว่างอัตราขยายกระแสในย่าน forward active และย่าน saturation เราจะเรียกอัตราขยายกระแส iC / iB ในย่านอิ่มตัวว่า βforced

4.3 การทำงานเชิงกายภาพของทรานซิสเตอร์ชนิด PNP ย่าน cut-off ถ้ารอยต่อ EB และ CB อยู่ในสภาวะ off แล้วกระแสที่ไหลผ่านรอยต่อทั้งสองจะต่ำมากจนเราสามารถประมาณได้ว่าในย่าน cut-off iB = iC = iE = 0 จะเห็นได้ว่าในย่านนี้ ขา C และ E จะเสมือนถูกตัดขาดออกจากกัน

ย่าน forward active

4.4 แบบจำลอง BJT ในย่าน forward active NPN PNP

ตัวอย่าง จงคำนวณหาแรงดันที่ขา B C และ E เมื่อกำหนดให้ทรานซิสเตอร์มีค่า β = 100 และ VCE(SAT) = 0.2 V ถ้า (a) VB = 4 V (b) VB = 6 V (c) VB = 0 V

การบ้าน จงหาช่วงของแรงดัน VB ที่ทำให้ BJT อยู่ในสภาวะ cut-off, forward active และ saturation

4.5 แบบจำลองสัญญาณขนาดเล็ก 4.5 แบบจำลองสัญญาณขนาดเล็ก NPN PNP

ทรานส์คอนดักแตนซ์ (transconductance) โดย small-signal transconductance Hybrid - pi model NPN PNP

Early’s Effect ในความเป็นจริงนอกจาก iC จะแปรผันตามแรงดันที่ตกคร่อมรอยต่อ BE แล้ว มันยังแปรผันตามแรงดันที่ตกคร่อมรอยต่อ BC อีกด้วย เมื่อแรงดันย้อนกลับที่ตกคร่อมรอยต่อ BC มีค่าเพิ่มขึ้น (นั่นคือแรงดัน vBC มีค่าสูงขึ้น) บริเวณปลอดพาหะรอบ ๆ รอยต่อดังกล่าวจะมีขนาดกว้างขึ้น ส่งผลให้ความกว้างเบสหดลงและ iC มีค่าสูงขึ้น เราเรียกปรากฏการณ์ดังกล่าวนี้ว่าการผันแปรความกว้างเบส (base-width modulation) หรือปรากฏการณ์เออร์ลีย์ (Early effect)

Early’s Effect IC0

เมื่อต่อเส้นกราฟ iC ในสภาวะ forward active มาทางซ้าย เส้นกราฟทุกเส้นจะตัดแกนนอนที่จุด -VA

ic = gmvbe + govce โดย

การบ้าน แบบฝึกหัดบทที่ 4 ข้อ 10