Transistor — BJT và MOSFET

Transistor là linh kiện cho phép một phần của mạch điều khiển dòng điện ở phần khác. Để so sánh nhanh BJT và MOSFET, ý chính rất đơn giản: BJT được điều khiển bằng dòng điện ở cực base, còn MOSFET chủ yếu được điều khiển bằng điện áp giữa gate và source.

Cả hai đều có thể hoạt động như công tắc, và cả hai cũng có thể dùng để khuếch đại trong những điều kiện phù hợp. Điểm khác nhau nằm ở cách việc điều khiển diễn ra và mạch điều khiển phải cung cấp gì.

BJT Và MOSFET Khác Nhau Ở Điểm Nào?

Một BJT có ba cực: base, collector và emitter. Theo cách hình dung cơ bản, một dòng base nhỏ có thể điều khiển một dòng collector-emitter lớn hơn khi transistor được phân cực trong vùng thích hợp.

Một MOSFET có các cực gate, drain và source. Cực gate được cách điện, nên điện áp gate tạo ra điện trường làm thay đổi việc dòng điện có thể chạy giữa drain và source hay không.

Vì vậy, người ta thường tóm tắt sự khác nhau như sau:

• BJT cần dòng điều khiển ở đầu vào.
• MOSFET chủ yếu cần điện áp đầu vào phù hợp.

Những cách tóm tắt này hữu ích, nhưng chỉ đúng khi điều kiện mạch phù hợp với chế độ hoạt động mong muốn.

Trực Giác Về BJT Bằng Ngôn Ngữ Đơn Giản

Trong các mạch nhập môn, ý chính về BJT là tiếp giáp base-emitter phải được phân cực thuận thì transistor mới dẫn trong cấu hình NPN thông thường. Nếu điều kiện đó được thỏa mãn, dòng collector có thể lớn hơn nhiều so với dòng base.

Trong vùng tích cực, một xấp xỉ thường dùng là

$$I_C \approx \beta I_B$$

trong đó $I_C$ là dòng collector, $I_B$ là dòng base, và $\beta$ là hệ số khuếch đại dòng.

Điều này giúp xây dựng trực giác, nhưng không phải là mẹo áp dụng được trong mọi trường hợp. Nếu bạn dùng BJT như một công tắc, mục tiêu thiết kế thường là bão hòa chứ không phải khuếch đại chính xác trong vùng tích cực.

Trực Giác Về MOSFET Mà Không Bị Nhầm Lẫn Thường Gặp

Với MOSFET loại tăng cường, đại lượng điều khiển quan trọng là điện áp giữa gate và source $V_{GS}$. Nếu $V_{GS}$ quá thấp, kênh dẫn sẽ yếu hoặc không hình thành. Nếu $V_{GS}$ đủ cao đối với linh kiện và tải cụ thể đó, dòng điện có thể chạy mạnh.

Cực gate thường hút rất ít dòng ở trạng thái xác lập vì nó được cách điện. Đó là một lý do MOSFET được dùng rộng rãi trong mạch số và mạch đóng cắt công suất.

Sai lầm phổ biến của người mới học là xem điện áp ngưỡng như trạng thái "bật hoàn toàn". Điện áp ngưỡng thường chỉ đánh dấu điểm bắt đầu có dẫn điện trong một điều kiện thử nghiệm. Nó không đảm bảo điện trở thấp hay đóng cắt hiệu quả ở dòng tải của bạn.

Một Ví Dụ Cụ Thể: Đóng Cắt Tải Bằng Vi Điều Khiển

Giả sử một vi điều khiển $5 \, \text{V}$ phải đóng cắt một tải $200 \, \text{mA}$.

Với BJT NPN dùng như công tắc, bạn cần một điện trở base và đủ dòng base để đưa transistor vào bão hòa. Nếu bạn chọn hệ số khuếch đại cưỡng bức khoảng $10$ làm biên độ an toàn thiết kế, thì dòng collector $200 \, \text{mA}$ gợi ý cần khoảng $20 \, \text{mA}$ dòng base. Mức này có thể gần chạm giới hạn của một số chân vi điều khiển.

Với MOSFET kênh n mức logic dùng làm công tắc phía thấp, chân điều khiển chủ yếu chỉ cần cung cấp điện áp gate phù hợp thay vì dòng gate liên tục. Ở trạng thái xác lập, điều này thường dễ hơn đối với vi điều khiển. Điều kiện quan trọng là MOSFET đó thực sự phải được định mức để bật tốt ở mức điện áp gate mà bạn có.

Ví dụ này cho thấy rõ sự đánh đổi trong thực tế. Nếu tín hiệu điều khiển có thể cung cấp điện áp nhưng không cung cấp được nhiều dòng, MOSFET thường là công tắc dễ dùng hơn. Nếu dòng điện không lớn và mạch đơn giản, BJT vẫn có thể là lựa chọn hoàn toàn hợp lý.

Khi Nào Người Ta Chọn BJT Hay MOSFET

BJT thường gặp trong các tầng tương tự nhỏ, các mạch khuếch đại trong giáo trình, gương dòng và các tác vụ đóng cắt đơn giản.

MOSFET thường gặp trong logic số, điện tử công suất, điều chỉnh điện áp và các mạch mà trở kháng đầu vào cao là một lợi thế.

Không có linh kiện nào tự động tốt hơn linh kiện kia. Lựa chọn đúng phụ thuộc vào dòng tải, tín hiệu điều khiển sẵn có, tốc độ, tổn hao công suất và việc mạch chủ yếu là tương tự hay chủ yếu là đóng cắt.

Những Sai Lầm Thường Gặp Trong Bài Toán Về Transistor

Dùng $I_C \approx \beta I_B$ sai ngữ cảnh

Quan hệ này hữu ích nhất khi phân tích trong vùng tích cực. Nó không phải là giả định an toàn cho mọi thiết kế đóng cắt.

Xem điện áp ngưỡng của MOSFET là điện áp bật mà bạn cần

Một MOSFET có thể đã vượt ngưỡng mà vẫn hoạt động kém khi làm công tắc. Luôn kiểm tra điều kiện mà tại đó linh kiện đạt điện trở dẫn thấp.

Quên rằng gate của MOSFET có tính điện dung

Dòng gate thường rất nhỏ ở trạng thái xác lập, nhưng gate vẫn phải được nạp và xả trong quá trình chuyển mạch. Điều này quan trọng khi tốc độ là yếu tố cần quan tâm.

Bỏ qua nhiệt

Bất kỳ transistor nào làm rơi một điện áp đáng kể trong khi mang dòng đều có thể tiêu tán công suất đáng kể. Linh kiện thực tế luôn có giới hạn nhiệt.

Vì Sao Điều Này Quan Trọng Trong Vật Lý

Transistor là cầu nối giữa vật lý bán dẫn và các linh kiện thực tế. BJT phụ thuộc vào sự phun hạt tải qua các tiếp giáp, còn MOSFET phụ thuộc vào điện trường điều khiển một kênh dẫn.

Nếu hình dung vật lý này rõ ràng, hành vi của mạch sẽ bớt cảm giác tùy ý hơn nhiều. Bạn không chỉ đang ghi nhớ các ký hiệu trên sơ đồ. Bạn đang theo dõi cách điện tích và điện trường điều khiển dòng điện.

Hãy Thử Một Trường Hợp Tương Tự

Hãy lấy một mạch đóng cắt đơn giản và đặt trước hai câu hỏi: nguồn điều khiển có dễ dàng cung cấp dòng điện không, và linh kiện cần hoạt động chủ yếu như công tắc hay chủ yếu như bộ khuếch đại? Nếu muốn luyện thêm, hãy tự tạo một phiên bản với dòng tải khác và so sánh xem BJT hay MOSFET phù hợp hơn.