บทที่3 Bipolar Junction Transistor

บทที่ 3Bipolar Junction Transistor1. วัตถุประสงค1. เพื่อศึกษาหลักการทํางานของ Bipolar Junction Transistor2. บทนําทรานซิสเตอรชนิดสองรอยตอถูกคนพบครั้งแรก โดยคณะทํางานหองปฏิบัติการของบริษัทเบลเทโลโฟน(BellLaboratories) ในป ค.ศ. 1947 นับไดวาเปนการปลุกโลกของวิวัฒนาการการสรางอุปกรณสารกึ่งตัวนําทรานซิสเตอรชนิดสองรอยตอ เรียกดวยตัวยอวา BJT (Bipolar Junction Transistor) ทรานซิสเตอร (BJT) ถูกนําไปใชงานอยางแพรหลาย เชน วงจรขยายในเครื่องรับวิทยุและเครื่องรับโทรทัศนหรือนําไปใชในวงจรอิเล็กทรอนิกสที่ทําหนาที่เปนสวิทซ (Switching) เชน เปด-ปดรีเลย (Relay) เพื่อควบคุมอุปกรณไฟฟาอื่นๆ3. เนื้อหาBJTทรานซิสเตอร(Transistor) คือสิ่งประดิษฐทําจากสารกึ่งตัวนํามี 3 ขา กระแสหรือแรงดันเคลื่อนเพียงเล็กนอยที่ขาหนึ่งจะควบคุมกระแสที่มีประมาณมากที่ไหลผานขาทั้งสองขางได หมายความวาทรานซิสเตอรเปนทั้งเครื่องขยายและสวิทซทรานซิสเตอรโครงสรางทรานซิสเตอรทรานซิสเตอรชนิดสองรอยตอหรือ BJT นี้ประกอบดวยสารกึ่งตัวนําชนิด p และ n ตอกัน โดยการเติมสารเจือปน(Doping) จํานวน 3 ชั้น ทําใหเกิดรอยตอ (Junction) ขึ้นจํานวน 2 รอยต่ํา การสรางทรานซิสเตอรจึงสรางได 2 ชนิดคือ ชนิดที่มีสารชนิด N 2 ชั้นเรียกวาชนิด NPN และชนิดที่มีสาร P 2 ชั้นเรียกวาชนิด PNP ซึ่งมีโครงสรางดังรูปที่ 3.1และ 3.2 ตามลําดับรูปที่ 3.1 โครงสรางทรานซิสเตอรชนิด NPN

รูปที่ 3.2 โครงสรางทรานซิสเตอรชนิด pnpขาทั้ง3 ที่ตอใชงานของทรานซิสเตอร มีชื่อเรียกดังนี้• ขาคอลเล็คเตอร (Collector) เรียกยอๆ วา ขาซี (C) เปนโครงสรางที่มีชิ้นสารขนาดใหญที่สุด มักจะถูกโดปเปนฐาน• ขาอิมิตเตอร (Emitter) เรียกยอๆ วา ขาอี (E) เปนโครงสรางที่มีชิ้นสารขนาดรองลงมาและอยูคนละดานกับคอลเล็กเตอร• ขาเบส (Base) เรียกยอๆ วา ขาบี (B) เปนโครงสรางที่มีชิ้นสารขนาดแคบสุด เมื่อเทียบกับอีกสองสวนและอยูระหวางกลางของสารทั้งสองการดูขาจากสัญลักษณของทรานซิสเตอรขาเบส (B) จะอยูตอนกาง ขาที่มีหัวลูกศรกํากับไวคือ ขาอิมิตเตอร (E) ถาเปนรูปลูกศรชี้เขาเปนทรานซิสเตอรชนิด PNP รูปลูกศรชี้ออกเปนทรานซิสเตอรชนิด NPN ดังแสดงในรูปที่ 3.3 และ 3.4รูปที่ 3.3 สัญลักษณ npn รูปที่ 3.4สัญลักษณ pnpกระแสและแรงดันของทรานซิสเตอร (Transistor Current and Voltage)เนื่องจากทรานซิสเตอรเปนอุปกรณที่มีขั้ว 3 ขั้วคือ ขั้วคอลเลคเตอร, ขั้วเบส และขั้วอิมิตเตอร จึงมีกระแสและแรงดันทรานซิสเตอรหลายคา ดังนี้• กระแสของทรานซิสเตอร

ทรานซิสเตอรเปนอุปกรณซึ่งถูกควบคุมดวยกระแสเบส (Base Current: I B ) กลาวคือเมื่อ I B มีการเปลี่ยนแปลงแมเพียงเล็กนอยก็จะทําใหกระแสอิมิตเตอร (Emitter Current: I E ) และกระแสคอลเลคเตอร(Collector Current: I C )เปลี่ยนแปลงไปดวยนอกจากนี้ถาเราเลือกบริเวณการทํางาน (Operating Region) หรือทําการไบอัสที่รอยตอของทรานซิสเตอรทั้ง 2ตําแหนงใหเหมาะสม ก็จะได I E และ I C ซึ่งมีขนาดมากขึ้นเมื่อเทียบกับ I Bรูปที่ 3.5 ความสัมพันธของกระแสระหวางขา C และ Eจากรูปที่ 3.5 เมื่อจายสัญญาณกระแส AC ที่ขั้วเบส (IB) หรือที่ดานอินพุตของทรานซิสเตอรก็จะไดรับสัญญาณเอาตพุตที่ขั้วอิมิตเตอรและที่ขั้วคอลเลคเตอร มีขนาดเพิ่มขึ้น ซึ่งมีสมการดังนี้I E = I C + I B ------------- (3.1)อัตราขยายเบตาและอัลฟาอัตราขยายทางกระแสของทรานซิสเตอรไดแก อัตราขยายในวงจรคอมมอนอีมิตเตอร ซึ่งเปนวงจรที่นิยมใชงานมากที่สุด คาอัตราขยายนี้ไดมาจากอัตราสวนของกระแสคอลเล็กเตอร (Ic) เทียบกับกระแสเบส (IB) เราเรียกคาอัตราขยายกระแส (Current Gain) นี่วาคาเบตา (βdc) เชนหากกระแสขาเขาเปนกระแสเบสกระแสออกเปนกระแสคอลเล็กเตอร หากกระแสเขาเทากับ 1 mA กระแสออกเทากับ 100 mA เรียกวาอัตราขยายเทากับ 100 เทา ดังนั้นหากคาอัตราขยายสามารถหาไดจากสมการดังนี้ICβ dc = ------------- (3.2)Iโดยทั่วไปแลวคาอัตราขยาย β dc จะอยูในชวง 20 ถึง 200 เทาหรือมากกวานั้น นอกจากนี้แลวยังมีอัตราขยายของวงจรที่จัดวงจรแบบคอมมอนเบส โดยถือวากระแสเขาคือกระแสอิมิตเตอร กระแสออกคือกระแสคอลเล็กเตอร คาอัตราขยายดังกลาวเรียกวาคาอัลฟา (α dc ) ซึ่งมีสมการดังนี้α dc = IC------------- (3.3)IBE

แตจากสมการทรานซิสเตอรสมการที่3.1 และคา I C มีคาประมารใกลเคียงกับคา I E แตไมมากกวาคา I E ดังนั้นคาอัตราขยายของสมการนี้จึงมีคาอยูในชวง 0.95 ถึง 0.99 เทาหรือมีคาไมเกิน 1 เทาความสัมพันธระหวางคา β dc และ α dc จากสมการที่ 3.1 และนํา I C หารสมการที่ 3.1IIEC=( I + I )CICB=IB= 1+------------- (3.4)IIICCซึ่งคา β dc = และคา α dc = ดังนั้นนําคาทั้งสองแทนในสมการที่3.4 ไดดังนี้IIBα dcβdc= ------------- (3.5)β +1และαdc= β dc------------- (3.6)1−αdc• แรงดันของทรานซิสเตอรขณะตอทรานซิสเตอรเพื่อใชกับงานจริง มีแรงดันไฟฟาหลายประการเกิดขึ้น ดังรูป 3.6EIICCI+IdcCBCรูปที่ 3.6 แรงดันไฟฟาทีเกิดขึ้นของทรานซิสเตอร

หลักการทํางานทรานซิสเตอรทั้งชนิด NPN และชนิด PNP เมื่อนําไปใชงานไมวาจะใชในวงจรขยายสัญญาณ(Amplifier) หรือทํางานเปนสวิตซ จะตองทําการไบอัสใหทรานซิสเตอรทํางานได โดยใชหลักการไบอัส ดังนี้• ไบอัสตรง (Forward Bias) ใหกับรอยตอระหวางอิมิตเตอรกับเบส• ไบอัสกลับ (Reverse Bias) ใหกับรอยตอระหวางคอลเลคเตอรกับเบสหลักการของทรานซิสเตอรคือ ตองการที่จะทําใหกระแสทางดานอินพุต สามารถควบคุมการไหลของกระแสเอาตพุตได ดังนั้นการใหไบอัสทางเอาตพุตจึงตองเปนการใหไบอัสเปนแบบ Reverse Bias ถาเปนแบบ Forward Biasกระแสดานเอาตพุตก็จะเปนอิสระไมสามารถควบคุมได และทางดานอินพุตจะตองใหไบอัสเปนแบบ Forward Biasดวยแรงดันไฟฟาต่ําๆ เพื่อที่จะไมทําใหกระแสเอาตพุตเกิดการอิ่มตัวเสียกอนการทํางานของทรานซิสเตอรชนิด NPNการปอนแรงดันไฟฟาใหกับทรานซิสเตอรชนิด NPN คือ การจายไฟลบใหขา E เมื่อเทียบกับไฟบวกที่จายใหขาB และจายไฟบวกใหขา C เมื่อเทียบกับไฟลบที่จายใหขา B มีทั้งไฟบวกและไฟลบ แตการเทียบศักย Forward นั้นจะเทียบระหวางขา B กับขา E เทานั้นทําใหขา B ซึ่งเปนสาร P ไดรับแรงไฟ Forward คือเปนไฟบวกเมื่อเทียบกับขา Eเทานั้นแสดงดังรูปที่ 3.7รูปที่ 3.7 การทํางานของทรานซิสเตอรชนิด NPNการทํางานของทรานซิสเตอรชนิด PNPการปอนแรงดันไฟฟาใหกับทรานซิสเตอรชนิด PNP โดยการจายไฟบวกใหขา E เมื่อเทียบกับไฟลบที่จายใหขาB และจายไฟลบเขาขา C เมื่อเทียบกับไฟบวกที่จายใหขา B ทําใหขา B มีทั้งไฟลบและไฟบวก ทําใหขา B ซึ่งเปนสารN ไดรับ Forward Bias คือ เปนลบเมื่อเทียบกับขา E เทานั้น แสดงดังรูปที่ 3.8

รูปที่ 3.8 การทํางานของทรานซิสเตอรชนิด PNPสําหรับทรานซิสเตอรชนิด PNP นั้นเมื่อขา B กับขา E ได Forward Bias และจากขา B กับขา C ได ReverseBias จะทําใหมีกระแสเบส (I B ) ไหลจากไฟบวกเขาขา E ไปยังขา B และกระแสคอลเล็คเตอร (I C ) จะไหลจากไฟบวกเขาขา E ออกมายังขา C ทิศทางการไหลของกระแสจะวิ่งไปตามทิศทางของลูกศรนอกจากการไลกระแสซึ่งจะไหลจากบวกไปยังลบแลว ยังมีการไลกระแสจากขั้วลบไปขั้วบวกดวย หรือเรียกวา กระแสอิเล็กตรอน ทิศทางการไหลของกระแสจะไปในทิศทางยอนลูกศรการไหลของกระแสในทรานซิสเตอรจะถูกกําหนดดวยแรงดันไฟฟาที่จายใหขา B คือ ถาแรงดันไฟฟา ForwardBias ที่ขา B มากกระแสเบส(I B ) จะไหลไดมาก ก็จะทําใหกระแสคอลเล็คเตอร(I C ) ไหลไดมากตาม ถาแรงดันไฟฟาReverse Bias ที่ขา C มากก็จะทําใหกระแสคอลเล็คเตอรมากดวย การที่กระแสในทรานซิสเตอรจะไหลไดมากหรือนอย จะขึ้นอยูกับแรงดันไฟฟาที่ปอนใหเปนหลัก กลาวคือ ถาให V BE มาก I B จะไหลมาก ความตานทานในทรานซิสเตอรระหวาง C – E ก็จะต่ําลงมาก I C ก็จะไหลมาก และ I E ก็จะไหลไดมากดวย ถาให V BE นอย I B จะไหลนอย ความตานทานในทรานซิสเตอรระหวาง C – E ก็จะสูง I C ก็จะไหลนอยและ I E ก็จะไหลไดนอยดวยการจัดโครงสรางของทรานซิสเตอรพื้นฐาน (Basic Transistor Configuration)Common-baseวงจรเบสรวม เปนวงจรที่มีการจายอินพุตใหขั้วอิมิตเตอร และเอาตพุตออกจากขั้วคอลเลคเตอร นั่นคือมีขั้วเบสเปนจุดตอรวมกับแหลงจายแรงดันไฟฟาทั้งสองวงจร วงจรเบสรวมตองการความถี่สูง มีอัตราขยายกระแสไฟฟาต่ําอัตราขยายแรงดันไฟฟาสูง และแรงดัน AC อินพุตกับแรงดัน AC เอาตพุต Inphase กัน

รูปที่ 3.9 ตัวอยางวงจร common-baseCommon-emitterวงจรอิมิตเตอรรวมเปนวงจรที่การจายอินพุตใหกับขั้วเบสและมีเอาตพุตออกมาจากขั้วคอลเลคเตอร ซึ่งมีแหลงจายแรงดันไฟฟาทั้งสองมีจุดต่ํารวมกับขั้วอิมิตเตอร วงจรอิมิตเตอรรวมมีอัตราขยายกระแสและอัตราขยายแรงดันไฟฟาสูง และมีการเลื่อนเฟสแรงดัน AC อินพุตไปยังเอาตพุตเปนมุม 180 องศารูปที่3.10 ตัวอยางวงจร Common-emitterCommon-Collectorวงจรคอลเลคเตอรรวมเปนวงจรที่มีการจายอินพุตใหขั้วเบสและเอาตพุตออกจากขั้วอิมิตเตอร วงจรคอลเลคเตอรรวมมีอัตราขยายกระแสไฟฟาสูง แตอัตราขยายแรงดันไฟฟาต่ํา แรงดัน AC อินพุตกับแรงดัน AC เอาตพุตจะinphase กัน

รูปที่ 3.11 ตัวอยางวงจร Common-collector4. สรุปa. กระแสของทรานซิสเตอรI E = I C + I Bb. อัตราขยายกระแสดีซีβ dc= IIc. อัตราขยายอัลฟาIα dc =ICECBd. การเปลี่ยนจากคา เปนβ dcα dcβ dc=αdc1−αdce. การเปลี่ยนจากคา α เปนdcβdcα dc=ββdcdc+1

5. คําถามทายบท1. จงอธิบายหลักการทํางานของทรานซิสเตอร6. อางอิง[1] http://203.154.220.127/~elec2/worktr.php, 01/12/2546[2] http://taback.sripruetta.ac.th/~wichian/en2007/webcourse/transistor/lesson9.htm,01/12/2546[3] http://www.thai.net/comd_mtc/tr/tr.htm, 01/12/2546[4] เจน สงสมพันธุ “เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส 3 วงจรอิเล็กทรอนิกส” สถาบันอิเล็กทรอนิกสกรุงเทพรังสิต หนา153-182