Transistor là gì ? Đặc điểm và nguyên lý hoạt động

Transistor một trong những linh kiện quan trọng được dùng nhiều nhất trong các bo mạch điện tử trong máy tính destop, laptop, tivi, điện thoại, loa… với chức năng khuếch đại, điều chỉnh tín hiệu hoặc đóng ngắt. Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu thêm những thông tin về transistor qua bài viết dưới đây bạn nhé!

Transistor là gì ?

Transistor là gì ? Transistor hay còn gọi là tranzito là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, chúng thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử. Transistor nằm trong khối đơn vị cơ bản tạo thành một cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác. Vì đáp ứng nhanh và chính xác nên các transistor được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, và tạo dao động. Transistor cũng được kết hợp thành mạch tích hợp (IC), có thể tích hợp tới một tỷ transistor trên một diện tích nhỏ.

Cũng giống như điốt thì transistor được tạo thành từ hai chất bán dẫn điện. Khi ghép một bán dẫn điện âm nằm giữa hai bán dẫn điện dương ta được một PNP Transistor. Khi ghép một bán dẫn điện dương nằm giữa hai bán dẫn điện âm ta được một NPN Transistor.

Nguồn gốc của transistor

Transistor là gì ? Transistor đầu tiên được phát minh tại phòng thí nghiệm Bell ở New Jersey vào năm những 1947 bởi 3 nhà vật lý tài giỏi của Hoa Kỳ: John Bardeen (1908 Nott 1991), Walter Brattain (1902 -1987) và William Shockley (1910 – 1989). Nhóm nghiên cứu do Shockley dẫn đầu đã cố gắng phát triển một loại bộ khuếch đại mới cho hệ thống điện thoại Hoa Kỳ lúc bấy giờ, tuy nhiên những gì họ thực sự phát minh ra hóa ra lại có nhiều ứng dụng rộng rãi hơn. Bardeen và Brattain đã tạo ra Transistor thực tế đầu tiên vào thứ ba ngày 16 tháng 12 năm 1947. Mặc dù Shockley đã đóng một vai trò lớn trong dự án, anh ta rất tức giận và kích động khi bị bỏ rơi. Ngay sau đó, trong một lần ở khách sạn tại một hội nghị vật lý, anh đã một mình tìm ra lý thuyết về Transistor ba ngã là một thiết bị tốt hơn nhiều so với bóng bán dẫn tiếp xúc điểm.

Trong khi Bardeen rời Bell Labs để trở thành một học giả (anh tiếp tục tận hưởng thành công hơn nữa khi học các chất siêu dẫn tại Đại học Illinois), Brattain ở lại một thời gian trước khi nghỉ hưu để trở thành giáo viên. Shockley thành lập công ty sản xuất bóng bán dẫn của riêng mình và giúp truyền cảm hứng cho hiện tượng thời hiện đại đó là “Thung lũng Silicon”. Hai nhân viên của ông, Robert Noyce và Gordon Moore, đã tiếp tục thành lập Intel, nhà sản xuất chip vi mô lớn nhất thế giới.

Và sau cùng thì Bardeen, Brattain và Shockley cũng đã tái hợp trong một thời gian ngắn vài năm sau đó khi họ chia sẻ giải thưởng khoa học hàng đầu thế giới, giải thưởng Nobel Vật lý năm 1956 vì khám phá của họ. Đây được xem là một câu chuyện của họ là một câu chuyện hấp dẫn về sự sáng chói trí tuệ chiến đấu với sự ghen tị nhỏ nhặt và nó cũng đáng để đọc thêm.

Cấu tạo của một transistor

Thông thường thì một transistor sẽ bao gồm 3 lớp ghép lại với nhau tạo thành 2 mối tiếp giáp P – N. Nếu ta ghép theo thứ tự PNP ta sẽ có được transistor thuận và tương tự nếu là NPN ta sẽ có transistor nghịch. Các bạn cũng có thể hình dung rằng transistor sẽ tương tự như 2 Diode được dấu ngược chiều với nhau. Cấu trúc này sẽ được gọi là Bipolar Junction Transitor (tức BJT) bởi vì dòng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm cả hai loại điện tích âm và dương (và từ Bipolar nghĩa là hai cực tính).

Ba lớp bán dẫn này sẽ được nối thành 3 cực, lớp giữa ta gọi là cực gốc và có ký hiệu là B (Base). Lớp B sẽ rất mỏng và có nồng độ tạp chất khá thấp. Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt là C. Vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được.

Phân loại transistor

Chúng ta sẽ có hai loại transistor thường dùng nhất đó là dạng PNP và NPN. Cũng có thể dễ dàng phân biệt các loại transistor ngoài thực tế như sau:

• Transistor do Nhật Bản sản xuất: thường ký hiệu là A…, B…, C…, D… Ví dụ A564, B733, C828, D1555 trong đó các transistor ký hiệu là A và B là transistor thuận PNP còn ký hiệu là C và D là transistor ngược NPN. Các transistor A và C thường có công suất nhỏ và tần số làm việc cao còn các transistor B và D thường có công suất lớn và tần số làm việc thấp hơn.
• Transistor sản xuất tại Mỹ: thường ký hiệu là 2N…ví dụ như 2N3055, 2N3904,…
• Transistor do Trung quốc sản xuất: sẽ bắt đầu bằng số 3 và tiếp theo là hai chữ cái. Chữ cái thứ nhất cho biết loại bóng: Chữ A và B là bóng thuận, chữ C và D là bóng ngược, chữ thứ hai cho biết đặc điểm: X và P là bóng âm tần, A và G là bóng cao tần. Các chữ số ở sau chỉ thứ tự sản phẩm. Ví dụ: 3CP25, 3AP20 vv..

Transistor NPN và PNP

Transistor PNP và NPN như hai anh em song sinh với nhau nhưng tính tình khác nhau hoàn toàn.

Một anh PNP thuận tay phải còn được gọi là Transistor thuận hay phân cực thuận. Còn một anh NPN thuận tay trái hay Transistor nghịch hay phân cực nghịch.

Tranzito lưỡng cực hay còn gọi là Bipolar Junction Transistor ( BJT ) có 3 cực khác nhau tương ứng với 3 chân trên Transistor.

Dù là loại Transistor NPN hay PNP đều có 3 chân E B C được viết tắt bởi : Emitter – cực phát  , Base – cực nền, Collector – cực thu.

Có khá nhiều loại Transistor khác nhau cho các chức năng riêng biệt như :

• Transistor lưỡng cực (BJT – Bipolar junction transistor)
• Transistor hiệu ứng trường (Field-effect transistor)
• Transistor mối đơn cực UJT (Unijunction transistor)

Nhưng hai loại cơ bản nhất là Transistor NPN và PNP sẽ được mình sẽ nói nhiều về hai loại này về các mắc transistor cũng như ứng dụng thực tế một cách đơn giản nhất.

Transistor được chế tạo như thế nào ?

Các Transistor sẽ được làm từ silicon, đây là một nguyên tố hóa học được tìm thấy trong cát và chúng thường không dẫn điện (tức không cho dòng điện chạy qua). Silicon là một chất bán dẫn, có nghĩa là nó không thực sự là một chất dẫn điện (thứ gì đó giống như kim loại cho phép dòng điện) cũng không phải là chất cách điện (thứ gì đó như nhựa làm ngừng dòng điện). Nếu chúng ta xử lý silicon bằng tạp chất (một quá trình được gọi là doping ), chúng ta có thể khiến nó hoạt động theo một cách khác. Nếu chúng ta xử lý silic bằng các nguyên tố hóa học asen, phốt pho, antimon hoặc silic sẽ thu được một số electron “tự do” bổ sung có thể mang dòng điện dòng điện để các electron sẽ chảy ra khỏi nó một cách tự nhiên hơn.

Do các electron có điện tích âm, silicon được xử lý theo cách này được gọi là loại N (loại âm). Chúng ta cũng có thể pha tạp silicon với các tạp chất khác như boron, gali và nhôm. Silicon được xử lý theo cách này có ít các electron “tự do” hơn, vì vậy các electron trong các vật liệu gần đó sẽ có xu hướng chảy vào nó. Chúng ta gọi loại silicon này là loại P (loại dương).

Điều quan trọng cần lưu ý là cả silicon loại N hoặc loại P thực sự đều có điện tích và cả hai đều trung hòa về điện. Đúng là silicon loại N sẽ có thêm các electron “tự do” làm tăng độ dẫn của nó, trong khi silicon loại p có ít các electron tự do hơn, giúp tăng độ dẫn của nó theo cách ngược lại. Tất cả những gì chúng ta cần nhớ là “các electron thêm” có nghĩa là các electron tự do thêm có thể có thể tự do di chuyển và giúp mang dòng điện.

Chức năng của một transistor

Sự hữu ích không hề nhỏ của transistor có lẽ xuất phát từ khả năng sử dụng một tín hiệu nhỏ được đặt một cực của nó để điều khiển một tín hiệu lớn hơn ở các cực còn lại. Tính chất này được gọi là Gain và nó có thể tạo ra tín hiệu đầu ra mạnh hơn, điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ với tín hiệu đầu vào. Có nghĩa là nó có thể hoạt động như bộ khuếch đại. Ngoài ra, bóng bán dẫn có thể được sử dụng để bật hoặc tắt dòng điện trong một mạch như là một khóa điện tử.

Có hai loại transistor, có sự khác biệt nhỏ trong cách chúng được sử dụng trong một mạch. Một transistor lưỡng cực (ký hiệu BJT) có các chân Base (cực nền), Collector (cực thu) và Emitter (cực phát). Một dòng điện nhỏ được đặt vào cực Base (với transistor NPN dòng điện đi qua cực B và cực E) có thể điều khiển hoặc chuyển đổi một dòng điện lớn giữa cực Emiter và cực Collector. Đối với bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET), các chân kết nối có tên là Gate (cổng), Source (nguồn) và Drain (cống). Nếu điện áp được đặt vào chân Gate có thể điểu khiển dòng điện giữa Source và Drain.

Dùng transistor làm công tắc

Thông thường thì các transistor thường được sử dụng trong các mạch số như các khóa điện tử có thể ở trạng thái “bật” hoặc “tắt” cho cả các ứng dụng năng lượng cao như chế độ chuyển mạch nguồn điện và cho các ứng dụng năng lượng thấp như các cổng logic số. Các thông số quan trọng cho ứng dụng này bao gồm chuyển mạch hiện tại, điện áp xử lý, và tốc độ chuyển đổi, đặc trưng bởi thời gian của sườn lên và sườn xuống.

Ví dụ, một chip bộ nhớ chứa hàng trăm triệu hoặc thậm chí hàng tỷ Transistor, mỗi Transistor có thể được bật hoặc tắt riêng lẻ. Vì mỗi Transistor có thể ở hai trạng thái riêng biệt, nó có thể lưu trữ hai số khác nhau đó là 0 và 1. Với hàng tỷ Transistor, một con chip có thể lưu trữ hàng tỷ 0 và số 1 và gần như nhiều số và chữ cái thông thường (hoặc ký tự, như chúng ta gọi chúng).

Dùng transistor làm bộ khuếch đại

Bộ khuếch đại chung cực phát hay chung emiiter được thiết kế như hình bên. khi có một sự thay đổi tín hiệu điện áp ở {displaystyle V_{in}} làm thay đổi cường độ dòng điện đi qua cực B. Với các đặc tính khuếch đại dòng điện của transistor, chỉ cần dao động nhỏ ở {displaystyle V_{in}} transistor sẽ khuếch đại sự thay đổi đó và xuất tín hiệu ra ở cực C hay {displaystyle V_{out}}. Mỗi transistor có thể có nhiều cách mắc khác nhau tùy thuộc vào chức năng như dùng để khuếch đại dòng, khuếch đại điện áp hay cả hai.

Từ đài Radio, điện thoại di động đến TV, hầu hết các sản phẩm đều có bộ khuếch đại âm thanh, hình ảnh, truyền dẫn vô tuyến, và xử lý tín hiệu. Bộ khuếch đại âm thanh tín hiệu rời rạc đầu tiên chỉ cung cấp vài trăm miliwatts, nhưng công suất âm thanh dần dần gia tăng lên với chất lượng và cấu trúc transistor tốt hơn. Điều đó thực sự hữu ích trong những thứ như máy trợ thính, một trong những điều đầu tiên mọi người sử dụng Transistor. Máy trợ thính có một micrô nhỏ trong đó thu nhận âm thanh từ thế giới xung quanh bạn và biến chúng thành dòng điện dao động. Chúng được đưa vào một Transistor giúp khuếch đại chúng và cung cấp năng lượng cho một chiếc loa nhỏ, vì vậy bạn nghe thấy một phiên bản lớn hơn của âm thanh xung quanh bạn.

Ngày nay, transistor bán dẫn có công suất lên đến vài trăm watt và giá cũng rẻ hơn trước.

Cách thức hoạt động của transistor

Transistor hoạt động được nhờ đặt một điện thế một chiều vào vùng biên (junction) và điện thế này gọi là điện thế kích hoạt (bias voltage). Mỗi vùng trong transistor hoạt động như một Đi-ốt. Vì mỗi transistor có hai vùng và có thể kích hoạt với một điện thế thuận hoặc nghịch. Có tất cả bốn cách thức (mode) hoạt động cho cả hai PNP hay NPN Transistor.

Phân cực thuận nghịch (The Active mode) dùng cho việc khuếch đại điện thuận. Phân cực nghịch thuận (Reverse-Active) dùng cho việc khuếch đại điện nghịch. Vùng (The Cut-Off) and (Saturation) modes dùng như công tắc (switch) và biểu hiện trạng thái 1,0 trong điện số.

Cách xác định chân cho transistor

Chúng ta sẽ cần dùng đến một VOM (đồng hồ vạn năng) để có thể xác định được các chân của một transistor nhé. Và các bước thực hiện sẽ như sau:

1. Xác định chân B: ta sẽ tiến hành các phép đo ở hai chân bất kỳ, trong các phép đo đó sẽ có 2 phép đo kim đồng hồ dịch chuyển. Chân chung cho 2 phép đo đó là chân B.
2. Xác định PNP hay NPN: sau khi đã xác định được chân B, quan sát que đo nối với chân B là đỏ hay đen để xác định. Nếu chân nối với chân B là đỏ, đó là PNP và ngược lại.
3. Xác định chân C và chân E: chuyển đồng hồ về đo Ohm thang x100:

– Đối với PNP: hãy giả thiết một chân là chân C và một chân còn lại là chân E. Đưa que đen tới chân C, que đỏ tới chân E (que đỏ nối với cực âm của pin trong đồng hồ). Trong khi để 2 chân kia tiếp xúc như vậy, chạm chân B vào que đen, nếu kim dịch chuyển nhiều hơn so với cách giả thiết chân ngược lại thì giả thiết ban đầu là đúng, nếu không thì tất nhiên giả thiết ban đầu là sai và phải đổi lại chân.

– Đối với NPN làm tương tự nhưng với màu ngược lại là được nhé.

Cách để phân biệt transistor và thyristor

Chúng ta có một loại linh kiện điện tử có cấu tạo khá giống với transistor đó chính là thyristor và nó cũng được sử dụng khá phổ biến hiện nay. thyristor hay còn gọi là chỉnh lưu silic có điều khiển là phần tử bán dẫn có bốn lớp bán dẫn. Ví dụ: P-N-P-N và nó được dùng để chỉnh lưu dòng điện có điều khiển.

Sự khác nhau cơ bản giữa Thyristor và Transistor là:

• Số lớp chất bán dẫn: thyristor sẽ có 4 lớp còn transistor chỉ có 3 lớp
• Về công suất: thyristor có khả năng chuyển một lượng điện năng lớn hơn transistor
• Ứng dụng: transistor làm thiết bị chuyển mạch hoặc bộ khuếch đại còn thyristor thì không.
• Về việc duy trì dòng điện: transistor cần có dòng đầu vào liên tục còn thyristor thì không.

Ưu nhược điểm của transistor so với đèn điện tử chân không

Trước khi có transistor thì việc khuếch đại tín hiệu chúng ta sẽ thường dùng đến đèn điện tử chân không. Tuy nhiên vì chúng không đáp ứng tốt các tính năng cũng như các nhu cầu cần thiết nên chúng ta buộc phải thay thế chúng bằng transistor. Và cụ thể thì chúng ta sẽ có các ưu nhược điểm của transistor so với đèn điện tử chân không như sau:

Ưu điểm của transistor

• Không có bộ phận làm nóng cathode, giảm điện năng tiêu thụ, loại bỏ độ trễ khi chờ đèn khởi động, không chứa chất độc ở cathode.
• Hoạt động ở mức điện áp thấp có thể sử dụng với pin tiểu.
• Transistor có thể được thu nhỏ cỡ nano mét và được tích hợp trong IC hay các vi mạch.
• Linh kiện bán dẫn được thiết kế linh động, nhỏ gọn.
• Hiệu suất cao, thường được sử dụng trong các ứng dụng ít năng lượng.
• Độ tin cậy và tuổi thọ cao, transistor có tuổi thọ hơn 50 năm. Không giống như đèn chân không hiệu suất giảm dần theo thời gian.
• Kích thước và trọng lượng nhỏ giúp giảm kích cỡ sản phẩm.
• Ít bị sốc, vỡ khi rơi hoặc va chạm.

Nhược điểm của transistor là gì ?

• Đèn chân không khi khuếch đại tạo ra rất ít nhiễu và sóng hài, tạo ra âm thanh “sạch” khi nghe nhạc nên được rất nhiều người chơi âm thanh ưa chuộng.
• Transistor vẫn có thể bị “già” và hoạt động kém đi theo thời gian.
• Transistor nhạy cảm với tia bức xạ và tia vũ trụ (Phải dùng kèm chip bức xạ đặc biệt cho các thiết bị tàu vũ trụ).
• Do transistor làm từ chất bán dẫn nên rất dễ “chết” do shock điện, shock nhiệt.
• Khi hoạt động ở công suất lớn và tần số cao thì đèn chân không tốt hơn transistor bán dẫn.

Trên đây là những thông tin liên quan đến transistor do Luật Trẻ Em đã tổng hợp và chia sẻ đến các bạn. Hy vọng rằng với những chia sẻ trên đây sẽ giúp bạn có thêm nhiều thông tin hơn về transistor nhé!

Đăng bởi: Trường Tiểu học Thủ Lệ

Chuyên mục: Tổng hợp