Transistor là gì? Định nghĩa Transistor, cấu tạo Transitor
Transistor (bóng bán dẫn) là một linh kiện điện tử quan trọng, nó dùng để điều chỉnh dòng điện hoặc điện áp, đóng vai trò như một công tắc hoặc cổng điều khiển tín hiệu điện tử. Cấu trúc của transistor được cấu thành từ ba lớp vật liệu bán dẫn, mỗi lớp trong số đó có khả năng truyền dẫn dòng điện. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng khám phá transistor là gì, định nghĩa của nó và cấu trúc bên trong của transistor.
Định nghĩa transistor
Transistor được định nghĩa là một thiết bị bán dẫn có khả năng chuyển đổi tín hiệu yếu từ mạch có điện trở thấp sang mạch có điện trở cao. Tên gọi “transistor” bắt nguồn từ hai thành phần: “trans” nghĩa là chuyển giao và “istor” liên quan đến đặc tính điện trở của các mối nối. Nói một cách đơn giản, đây là thiết bị hoạt động như một công tắc hoặc bộ khuếch đại, điều chỉnh các tín hiệu điện như điện áp hoặc dòng điện.
Cấu trúc của transistor bao gồm hai diode PN được nối liền kề nhau. Nó có ba cực: cực phát (emitter), cực nền (base) và cực thu (collector). Cực nền là vùng ở giữa, được tạo thành từ một lớp vật liệu mỏng. Phần diode bên phải được gọi là diode phát, trong khi phần diode bên trái được gọi là diode nền-thu. Những tên gọi này xuất phát từ cách bố trí các cực trong transistor. Mối nối giữa cực phát và cực nền được kết nối theo chiều phân cực thuận, còn mối nối giữa cực nền và cực thu được kết nối theo chiều phân cực ngược, tạo ra điện trở cao.
Biểu tượng bóng bán dẫn
Bóng bán dẫn được chia thành hai loại chính: bóng bán dẫn NPN (Transistor NPN) và bóng bán dẫn PNP (Transistor PNP). Bóng bán dẫn NPN được cấu tạo từ hai lớp vật liệu bán dẫn loại N kẹp giữa một lớp vật liệu bán dẫn loại P. Ngược lại, bóng bán dẫn PNP bao gồm một lớp vật liệu loại N nằm giữa hai lớp vật liệu loại P. Biểu tượng của hai loại bóng bán dẫn NPN và PNP được minh họa trong hình dưới đây.
Trong biểu tượng, mũi tên thể hiện hướng dòng điện thông thường tại cực phát, phù hợp với chiều phân cực thuận tại mối nối cực phát. Điểm khác biệt cơ bản giữa bóng bán dẫn NPN và PNP nằm ở hướng dòng điện chạy qua chúng
Thiết bị đầu cuối bóng bán dẫn
Các bóng bán dẫn có ba thiết bị đầu cuối là, bộ phát, bộ thu và cơ sở. Các thiết bị đầu cuối của diode được giải thích chi tiết dưới đây.
Bộ phát – Phần cung cấp phần lớn của sóng mang điện đa số được gọi là bộ phát. Bộ phát được kết nối theo chiều hướng về phía trước đối với cơ sở để nó cung cấp chất mang điện tích đa số cho cơ sở. Ngã ba cơ sở phát ra một lượng lớn chất mang điện tích đa số vào cơ sở vì nó bị pha tạp nặng và kích thước vừa phải.
Collector – Phần thu thập phần chính của sóng mang điện đa số do bộ phát cung cấp được gọi là collector. Ngã ba collector-base luôn nằm trong phân cực ngược. Chức năng chính của nó là loại bỏ phần lớn điện tích khỏi đường giao nhau với chân đế. Phần collector của bóng bán dẫn được pha tạp vừa phải, nhưng kích thước lớn hơn để nó có thể thu thập hầu hết các hạt mang điện được cung cấp bởi bộ phát.
Cơ sở – Phần giữa của bóng bán dẫn được gọi là cơ sở. Cơ sở tạo thành hai mạch, mạch đầu vào với bộ phát và mạch đầu ra với bộ thu. Mạch cơ sở phát theo xu hướng thuận và cung cấp điện trở thấp cho mạch. Các mối nối collector-base nằm trong phân cực ngược và cung cấp điện trở cao hơn cho mạch. Đế của bóng bán dẫn được pha tạp nhẹ và rất mỏng do nó cung cấp chất mang điện tích đa số cho đế.
Nguyên lý hoạt động của transistor
Thông thường, silicon được sử dụng để chế tạo bóng bán dẫn vì có điện áp cao, dòng điện lớn hơn và độ nhạy nhiệt độ thấp hơn. Phần cơ sở phát ra được giữ ở phía trước thiên vị tạo thành dòng cơ sở chảy qua vùng cơ sở. Độ lớn của dòng cơ sở là rất nhỏ. Dòng cơ sở làm cho các electron di chuyển vào vùng collector hoặc tạo ra một lỗ trống trong vùng cơ sở.
Cơ sở của bóng bán dẫn rất mỏng và pha tạp nhẹ vì trong đó nó có số lượng electron ít hơn so với bộ phát. Một số electron của bộ phát được kết hợp với lỗ của vùng cơ sở và các electron còn lại được di chuyển về phía vùng thu và tạo thành dòng thu. Do đó, chúng ta có thể nói rằng dòng thu lớn có được bằng cách thay đổi vùng cơ sở.
Điều kiện hoạt động của bóng bán dẫn
Bóng bán dẫn hoạt động trong các vùng khác nhau tùy thuộc vào cách phân cực của hai mối nối: mối nối cực phát (EB) và mối nối cực thu (CB). Khi mối nối cực phát được phân cực thuận và mối nối cực thu được phân cực ngược, bóng bán dẫn hoạt động trong vùng hoạt động (active region). Các điều kiện phân cực khác nhau dẫn đến các chế độ hoạt động khác nhau, được trình bày trong bảng dưới đây:
| Điều kiện | Mối nối Emitter-Base (EB) | Mối nối Collector-Base (CB) | Vùng hoạt động |
|---|---|---|---|
| FR | Phân cực thuận | Phân cực ngược | Hoạt động (Active) |
| FF | Phân cực thuận | Phân cực thuận | Bão hòa (Saturation) |
| RR | Phân cực ngược | Phân cực ngược | Cắt (Cutoff) |
| RF | Phân cực ngược | Phân cực thuận | Đảo ngược (Reverse) |
Giải thích các điều kiện:
- FR (Forward-Reverse): Mối nối cực phát-cực nền được phân cực thuận, trong khi mối nối cực nền-cực thu được phân cực ngược. Trong trạng thái này, bóng bán dẫn nằm trong vùng hoạt động, dòng điện ở cực thu (collector) phụ thuộc vào dòng điện ở cực phát (emitter). Đây là chế độ thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu.
- FF (Forward-Forward): Cả hai mối nối đều được phân cực thuận. Bóng bán dẫn rơi vào trạng thái bão hòa, dòng cực thu trở nên độc lập với dòng cực nền (base). Trong trường hợp này, bóng bán dẫn hoạt động như một công tắc đóng (ON).
- RR (Reverse-Reverse): Cả hai mối nối đều được phân cực ngược. Cực phát không cung cấp các hạt dẫn điện chính (majority carriers) cho cực nền, và cực thu cũng không thu được dòng điện. Do đó, bóng bán dẫn ở trạng thái cắt, hoạt động như một công tắc mở (OFF).
- RF (Reverse-Forward): Mối nối cực phát-cực nền được phân cực ngược, còn mối nối cực nền-cực thu được phân cực thuận. Vì cực thu có mức độ pha tạp thấp hơn so với cực phát, nó không thể cung cấp đủ hạt dẫn điện chính cho cực nền. Do đó, hiệu suất khuếch đại của bóng bán dẫn trong trạng thái này rất kém.
Bóng bán dẫn
Bóng bán dẫn, hay còn gọi là transistor, là một thiết bị điện tử dùng để điều chỉnh dòng điện hoặc điện áp, đồng thời hoạt động như một công tắc hoặc cổng điều khiển tín hiệu điện tử. Cấu trúc của nó bao gồm ba lớp vật liệu bán dẫn, mỗi lớp đều có khả năng dẫn dòng điện. Transistor được phát minh bởi ba nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1947, và từ đó, nó nhanh chóng thay thế ống chân không để trở thành linh kiện chủ đạo trong việc điều chỉnh tín hiệu điện tử.
Về cơ bản, transistor hoạt động bằng cách kiểm soát dòng điện hoặc điện áp, đóng vai trò như một công tắc hoặc cổng cho các tín hiệu điện tử. Nó được tạo thành từ ba lớp vật liệu bán dẫn, mỗi lớp có khả năng truyền dẫn dòng điện. Chất bán dẫn, chẳng hạn như gecmani hoặc silic, là loại vật liệu có khả năng dẫn điện ở mức độ trung gian – không hoàn toàn như chất dẫn điện tốt (như đồng), cũng không phải là chất cách điện hoàn toàn (như nhựa bọc dây điện). Đặc tính “bán nhiệt tình” này chính là yếu tố giúp transistor hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng điện tử.
Vật liệu cấu tạo Transistor
Vật liệu bán dẫn sở hữu những đặc tính đặc biệt nhờ quá trình hóa học gọi là pha tạp (doping). Quá trình này bổ sung thêm electron vào vật liệu, tạo ra loại N (có các hạt mang điện tích âm dư thừa), hoặc tạo ra các “lỗ trống” trong cấu trúc tinh thể, hình thành loại P (có các hạt mang điện tích dương nhiều hơn). Cấu trúc ba lớp của transistor bao gồm một lớp bán dẫn loại N nằm giữa hai lớp loại P (dạng PNP) hoặc một lớp loại P nằm giữa hai lớp loại N (dạng NPN).
Chỉ cần một thay đổi nhỏ về dòng điện hoặc điện áp tại lớp bán dẫn trung tâm (đóng vai trò là điện cực điều khiển), dòng điện chạy qua toàn bộ transistor sẽ thay đổi mạnh mẽ và nhanh chóng. Nhờ đặc điểm này, transistor có thể hoạt động như một công tắc, bật hoặc tắt cổng điện tử với tốc độ hàng triệu lần mỗi giây.
Trong các máy tính hiện đại, công nghệ bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS) được sử dụng rộng rãi để chế tạo mạch. CMOS kết hợp hai transistor bổ sung cho mỗi cổng logic – một sử dụng vật liệu loại N và một sử dụng vật liệu loại P. Khi một transistor duy trì trạng thái logic, nó tiêu thụ rất ít năng lượng, giúp tiết kiệm điện hiệu quả.
Qua bài viết trên, chúng ta đã nắm được transistor là gì, định nghĩa của nó cũng như cấu tạo cơ bản của linh kiện này. Transistor không chỉ là một thành phần quan trọng trong các thiết bị điện tử mà còn là nền tảng cho sự phát triển của công nghệ hiện đại. Hy vọng rằng những thông tin này đã giúp bạn hiểu rõ hơn về transistor, và trong các bài tiếp theo, chúng ta sẽ tiếp tục khám phá sâu hơn về các loại transistor cùng ứng dụng thực tiễn của chúng.
