02/11/52

Bipolar Junction Transistors 1

Chapter 4Chapter 4

Bipolar Junction TransistorsBipolar Junction Transistors

Bipolar Junction Transistors 2

เนอหา : โครงสรางของทรานซสเตอรแบบรอยตอไบโพลาร หลกการทางานของทรานซสเตอร รปลกษณของวงจรทรานซสเตอรแบบพนฐาน รปลกษณวงจรเบสรวม วงจรขยายโดยใชทรานซสเตอร วงจรอมตเตอรรวม รปลกษณแบบคอลเลคเตอรรวม พกดของการทางาน แผนระบขอกาหนดลกษณะสมบตของทรานซสเตอร การทดสอบทรานซสเตอร ตวถงและการจาแนกขวของทรานซสเตอร ระหสหมายเลขชนดของอปกรณกงตวนาและมาตรฐานตวถง

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 3

บทนาบทนา

การพฒนาทางดานอเลกทรอนกส

1904, สราง Vacuum-tube Diode โดย J. A. Fleming1906, Lee De Forest เพม Element ท 3 เรยกวา Triode สราง Amplifier1930, ผลต Tetrode ม Element ท 4 และ Pentode ม Element ท 5 1947, Walter H. Brattain และ John Bardeen ผลต Amplifier ท Bell

Telephone Laboratories

Bipolar Junction Transistors 4

โครงสรางของทรานซสเตอรแบบรอยตอไบโพลารโครงสรางของทรานซสเตอรแบบรอยตอไบโพลาร

pnp npn

ทรานซสเตอร เปนอปกรณสามขว ม 2 แบบคอ pnp และ npn

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 5

ทรานซสเตอรแบบทรานซสเตอรแบบ pnppnp

ประกอบดวยชน (ขา)E : อมตเตอร (Emitter)B : เบส (Base)C : คอลเลกเตอร (Collector)

โครงสราง สญญลกษณ

Bipolar Junction Transistors 6

ทรานซสเตอรแบบทรานซสเตอรแบบ npnnpn

ประกอบดวยชน (ขา)E : อมตเตอร (Emitter)B : เบส (Base)C : คอลเลกเตอร (Collector)

โครงสราง สญญลกษณ

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 7

ลกษณะโครงสรางของทรานซสเตอร* ชนอมตเตอร E จะถกโดป (Dope) อยางเขมขนมาก* ชนคอลเลกเตอร C จะมการโดปคอนขางเจอจาง* ชนเบส B จะมการโดปอยางเบาบางทสด และมความหนานอยทสด ถง 1:150 ของชนอน

หมายเหต : วสดทมการโดป เจอจาง จะมความเปนตวนา ตากวาวสดท โดป เขมขน

Bipolar Junction Transistors 8

หลกการทางานของทรานซสเตอรหลกการทางานของทรานซสเตอรเมอ ไบแอสเดนหนารอยตอ B-E และไบแอสยอนกลบรอยตอ B-Cซงจะทาใหการไหลของพาหะสวนไหญและพาหะสวนนอย

(a) สาหรบทรานซสเตอรแบบ pnp (b) สาหรบทรานซสเตอรแบบ npn

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 9

ทรานซสเตอรแบบ pnpพาหะสวนใหญ จะไหลจาก ขา E ผาน ขา B ไปออกยงขา C โดยจะมนอยมากทไหล

ออกไปทางขา Bทรานซสเตอรแบบ npnพาหะสวนใหญ จะไหลจาก ขา C ผาน ขา B ไปออกยงขา E โดยจะมนอยมากท

ไหลออกไปทางขา B

Bipolar Junction Transistors 10

สาเหตท Majority Career ไหลผานการไบแอสยอนกลบไมไหลออกทางขา B เนองจาก

1. ชนวสดกงตวนาทขา B โดปเจอจางมากจงเปนฉนวน2. ชนวสดกงตวนาทขา B บางมากทาให ชนทขา C ใกลกบ ชนทขา E3. การไบแอสท B-C (pnp) และ B-E (npn) เปนการขบใหพาหะสวนใหญม

แรงไหลทะลการ ไบแอสยอนกลบไปได

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 11

จาก KCL IE = IC + IB

กระแสทไหลผานคอลเลกเตอรIC = IC (majority) + ICO (minerity)

โดยท ICO หรอกระแสสวนนอย (Minority Current) เปน Leakage Current ของวงจร หรอเปนกระแส IC ทไหลในขณะทขวอมตเตอรเปดวงจรกระแส IC มคาเปน mA และ ICO มคาเปน µA หรอ nA จะเปลยนแปลงไดตามอณหภม

Bipolar Junction Transistors 12

รปลกษณของวงจรทรานซสเตอรแบบพนฐานรปลกษณของวงจรทรานซสเตอรแบบพนฐาน (BASIC TRANSISTOR CONFIGURATION)(BASIC TRANSISTOR CONFIGURATION)รปลกษณแบบพนฐานมดวยกน 3 วงจร คอ1. รปลกษณวงจรเบสรวม (Common-Base Configuration, CB)2. รปลกษณวงจรอมตเตอรรวม (Common-Emitter Configuration, CE)3. รปลกษณวงจรคอลเลกเตอรรวม (Common-Collector Configuration, CC)

รปลกษณของวงจรหมายถง รปแบบการตอวงจรเพอใชงาน ซงความแตกตางของวงจรจะอยทวา ขาใดของทรานซสเตอรเปนขารวมระหวางสวนอนพตและเอาทพต

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 13

รปลกษณวงจรเบสรวม (Common-Base Configuration)ขาเบสรวมระหวางสวนอนพตและเอาทพต

Bipolar Junction Transistors 14

ลกษณะสมบตทางดานอนพต (Input Characteristic ) เรยกวาลกษณะสมบตของอมตเตอร (Emitter Characteristic) ซงเปนแรงดนและ

กระแสทางดานขา B และ E ซงจะคลายคณลกษณะของ ไดโอด

กราฟความสมพนธระหวาง IE กบ VBE ของวงจรขยายแบบเบสรวม

Si

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 15

ลกษณะสมบตทางดานเอาทพต (Output Characteristic ) เรยกวาลกษณะสมบตของคอลเลกเตอร (Collector Characteristic) ซงเปนกราฟ

หลกทใชในการวเคราะหวงจรขยาย

Bipolar Junction Transistors 16

กราฟแสดงลกษณะสมบตของคอลเลกเตอร แบงออกไเปน 3 บรเวณ1. บรเวณแอกตฟ (Active Region): Reverse Bias C-B และ Forward Bias B-E

เปนชวงทใชในวงจร ขยายและวงจรลเนยรสวนใหญ2. บรเวณคดออฟ (Cutoff Region) : Reverse Bias ทง C-B และ B-E 3. บรเวณอมตว (Saturation Region) : Forward Bias ทง C-B และ B-E

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 17

หมายเหต เมอมการทางานในบรเวณแอกตฟ

VBE = 0.7Vกระแสรวไหล ICBO = ICO เรยกวา กระแสอมตวยอนกลบ ( reverse situation

current) พจารณาเมอ IE = 0

Bipolar Junction Transistors 18

อลฟา (Alpha, α)ความสมพนธของกระแส IC และ IE ทไหลในวงจรเนองจากพาหะสวนใหญ ทจดทางานแยกออกเปน อลฟาแบบ DC และ อลฟาแบบ ac

อลฟาโหมดกระแสตรง (DC Mode)

α DC = IC/IE เมอ IC เปน IC majority

โดยทปกต α จะมคาอยระหวาง 0.90 ถง 0.998

อลฟาโหมดกระแสสลบ(AC Mode)

αac = ∆IC /∆IE เมอ VCB คงท

คา αac นเรยกวา แฟกเตอรการขยายวงจรลดแบบเบสรวม (Common-base, Short-circuit Amplification Factor)

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 19

จากการคาของ α เปนความสมพนธสาหรบกระแสของพาหะสวนใหญ ดงนนเมอพจารณาท IC ทงหมด จาก

IC = IC majority + ICO minorityและ

IC = α ICEmajorityดงนน

IC = α IE majority + ICO minority

เมอ ICO minority หรอ ICBO หมายถง Leakage Current หรอ IC เมอ IE = 0 เปน Reverse Situation Current

คา ICBO จะมคานอยมากและสามารถตดทงไดในการคานวณโดยทวไป

Bipolar Junction Transistors 20

การไบแอส (Biasing)เงอนไขการไบแอสวงจรเบสรวม ใหทางานในชวงแอกทฟ คอ

1. สาหรบทรานซสเตอรแบบ pnp คอ ใหแหลงจายไฟฟา DC ในวงจรถกตดตงใหมขว ททาใหกระแสไหลดงรป

2. สาหรบทรานซสเตอรแบบ npn ทศทางของกระแสและแรงดนจะไหลตรงกนขาม

นทนกาหนดให IC ≅ IE และ IB ≅ 0

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 21

คณสมบตของวงจรขยาย แบบเบสรวมInput Resistance คอนขางตา (10 ถง 100Ω) เนองจาก Forward Bias (B-E)Output Resistance คอนขางสง (50 kΩ ถง 1 MΩ) เนองจาก Reverse Bias (B-C)ซงไมขอเสยของวงจรขยายแบบน

Bipolar Junction Transistors 22

ตวอยางท 1วงจรขยายแบบเบสรวมจงหา(a) อตราขยายกระแส (Ai) (b) อตราขยายแรงดน(Av)วธทา

กาหนดให αac = 1ดงนน

IE = ICAi = IE/IC

= 1= 1

จาก Ii = Vi/Ri

= 200mV/20Ω = 10 mA

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 23

นนคอAv = VL/Vi

= 50V/200mV

= 250= 250

จาก IE = ICIL = Ii = 10 mA

ดงนนVL = ILR

= 10mA*5kΩ= 50 V

Bipolar Junction Transistors 24

วงจรขยายนจะใชการขยายสญญาณโดยการสงผานกระแสจากวงจรทมความตานทานตาไปยงวงจรทมความตานทานสง

โดยมอตราขยายเทากบ RL/Ri ดงนนจงเปนทมาของชออปกรณนคอ

transistor transistor == transfer + resistortransfer + resistor

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 25

รปลกษณอมตเตอรรวม (Common-Emitter Configuration)อมตเตอรรวม เปนวงจรทนยมใชกนมาทสดในวงจรขยาย โดยมขา E รวมระหวาง

อนพตและเอาตพต

Bipolar Junction Transistors 26

ลกษณะสมบตทางดานอนพต (Input Characterristic)

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 27

ลกษณะสมบตทางดานเอาทพต (Output Characterristic)

แบงเปนActive RegionSaturation RegionCutoff Region

Bipolar Junction Transistors 28

การทางานสวทชโหมด (Switching Mode Operation)ทรานซสเตอรจะมจดทางาน 2 ชวง คอ Cut-off กบ Saturation

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 29

เบตา (Beta,β )อตราขยายกระแสของทรานซสเตอรในรปลกษณแบบวงจรอมตเตอรรวม แยกออกไดเปน เบตาแบบโหมดกระแสตรง (DC Mode) คอ

βDC = IC / IBเบตาแบบโหมดกระแสสลบ(AC Mode) คอ

βac = ∆IC/∆IB | VCE constant

βac มกจะเรยกวา แฟกเตอรการขยายกระแสเดนหนาของอมตเตอรรวม (Common-emitter Forward-current Amplification Factor )

หมายเหตหมายเหต IC และ IB เปนคากระแสไฟฟาทจดทางาน (Operating Point) หรอจดสงบ (Q-point) บนเสนแสดงลกษณะสมบตของทรานซสเตอร

Bipolar Junction Transistors 30

ตวอยางท 2 จากกราฟดงรปจงหา βac และ βDC ทจดทางาน Q-point

วธทาAC Beta ท Q-point

βac = ∆IC/∆IB= 3.2m-2.2m

30u-20u

= 100100

DC Beta ท Q-PointβDC = 2.7mA

25uA

= 108108

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 31

ความสมพนธของ β และ α

จาก β = IC/IB ดงนนIB = IC/β

จาก α = IC/IE ดงนนIE = IC/α

เมอ IE = IC + IB

ไดวาIC/α = IC+IC/β1/α = 1+1/β

ดงนนαα = = ββ

ββ +1+1

และββ == αα

11--αα

Bipolar Junction Transistors 32

ความสมพนธของ IC, IE, และ IB ในวงจรรปลกษณแบบอมตเตอรรวม

จากIC = βIB

จากIE = IC + IB

= βIB + IBดงนน

IIEE = (= (ββ + 1)I+ 1)IBB

เมอ β >> 1IIEE ≅ ≅ ((ββ + 1)I+ 1)IBB

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 33

การไบแอส (Biasing)เพอใหทรานซสเตอรทตอวงจรแบบอมตเตอรรวมสามารถทางานไดในชวง active region (วงจรขยาย)ตองใหกระแส IE ไหลในทศทางเดยวกบลกศรของสญลกษณทรานซสเตอร ทงวงจรอนพต (B-E Junction) และ วงจรเอาทพต (C-E Junction)

Bipolar Junction Transistors 34

รปลกษณแบบคอลเลคเตอรรวม (Common-Collector Configuration)มกนยมเรยกวา Emitter Follower ใชเปน Impedance-Matching

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 35

วงจรอมตเตอรฟอลโลเวอร (Emitter Follower)

ความสมพนธอนพตและเอาทพตVO = VS-VBE

อตราขยายแรงดนAv = Vo/(Vs -0.7)

≅ 1

Bipolar Junction Transistors 36

พกดของการทางาน (LIMITS OF OPERATION)ในการใชงานระดบแรงดน ระดบกระแส หรอระดบพลงงาน ไมเกนขดจากด

ของอตราสงสด (Maximum ratings)

ICmax = 50mA VCEmax = 20VPCmax = 300mW

**PC = VCE IC

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 37

แผนระบขอกาหนดแผนระบขอกาหนดลกษณะสมบตของลกษณะสมบตของทรานซสเตอรทรานซสเตอร (TRANSISTOR (TRANSISTOR SPECIFICATION SPECIFICATION SHEET)SHEET)

Bipolar Junction Transistors 38

2N4123 ทรานซสเตอรเอนกประสงค (General-purpose) ชนด npn

อตราสงสด (The maximum rating)VCEmax = VCEO = 30 V.ICmax = 200 mA.PCmax = 625mW (The maximum collector dissipation)คาลดลดเมออณหภมมากกวา 25OC = 5mW/OC (Derate above 25OC)

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 39

ลกษณะสมบตทางไฟฟา (Electrical Characteristics)OFF characteristics

ICBO = 50 nA (Collector cutoff Current)

ON CharacteristicsVCEsat = 0.3 V.

(DC Current Gain)hFE = 50 to 150 at IC = 2 mA,VCE = 1VhFE = 25 to 150 at IC = 50 mA,VCE = 1V

Bipolar Junction Transistors 40

ขดจากดของการทางาน (The Limits of Operation)IC < 200 mAVCE < 30 VVCEIC < 650 mW

ลกษณะสมบตตอสญญาณขนาดเลก (In the small-signal characteristics)(Small Signal Current Gain)

hfe (βac) = 50-200 at IC = 2.0 mA, VCE = 10V , f = 1kHz

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 41

การทดสอบทรานซสเตอรการทดสอบทรานซสเตอร ( (Transistor Testing)Transistor Testing)เพอตรวจสอบชนด (pnp หรอ npn), ตาแหนงขา (B, C หรอ E), อตราขยาย

กระแส (β) หรอสภาพทรานซสเตอรนนเสยหรอวายงใชงานได

การดจตอลมลตมเตอรแบบมชองวด hFE

Bipolar Junction Transistors 42

BC

E

BC

E

BC

E

BC

E

การใชโอหมมเตอรการหาชนด (npn, pnp) และหาขา B วดเพอหา ขา Anode และ Cathod

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 43

B

C

E

โอหมมเตอร R

20k

+

โอหมมเตอร

R 20k

B

C

E

+

การทดสอบเพอหาขา C และ E

Bipolar Junction Transistors 44

ตวถงและการจาแนกขวของทรานซสเตอร (Transistor Casing and Terminal Identification)

02/11/52

Bipolar Junction Transistors 45