Hiểu một cách đơn giản, Transistor sử dụng tín hiệu nhỏ đặt ở một chân và điều khiển tín hiệu lớn hơn tại chân còn lại hoặc nó dùng để đóng ngắt một tín hiệu nào đó đi qua nó.Bởi vì Tran
Tổng quan về Transistor
Nguồn gốc của Transistor
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.
Khái niệm về Transistor
Transistor (Hay còn được gọi là Tranzito) là một linh kiện điện tử bán dẫn chủ động Nó là thiết bị truyền tín hiệu yếu từ mạch điện trở thấp tới mạch điện trở cao Từ trans có nghĩa là truyền, còn từ istor nghĩa là trở kháng tín.Transistor thường được ứng dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử.
Phân loại và tìm hiểu từng loại
Transistor lưỡng cực
Transistor lưỡng cực hay thường được gọi là BJT Là một loại linh kiện bán dẫn, có 3 cực là B (base - cực nền), C (collector - cực thu), E (emitter - cực phát) Đây là một linh kiện điện tử vô cùng quan trọng và có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật điện tử. BJT được phát minh vào năm 1948. b Cấu tạo
Trong transistor gồm có 3 lớp bán dẫn loại P và N được ghép lại với nhau, có cấu tạo tương đương với diode
- Cực phát: cung cấp một lượng lớn điện tích, được nối với cực gốc và cung cấp cho cực gốc các phần tử mang điện tích Đoạn nối giữa hai cực sẽ cung cấp một lượng lớn các phần tử mang điện tích vào cực gốc.
- Cực thu: là phần thu lượng lớn các phần tử mang điện cung cấp bởi cực phát chính vì thế chúng có kích thước lớn hơn các cực còn lại.
- Cực nền: là phần nằm ở giữa transistor có kích thước mỏng và nhẹ tạo thành 2 mạch là mạch đầu vào với cực phát có trở kháng thấp và mạch đầu ra đối với cực thu có trở kháng cao.
- Mối nối pn giữa vùng Nền và vùng Thu được gọi là mối nối Nền – Thu ( Base – Collector Junction ) Tương tự mối nối pn giữa vùng Nền và vùng Phát là mối nối Nền - Phát ( Base – Emitter Junction ). c Nguyên lý hoạt động
H2 Sơ đồ nguyên lý của transistor
Nguyên lý hoạt động của Transistor khá đơn giản, khi đặt điện thế 1 chiều vào chân B (điện thế kích hoạt) thì 2 chân E-C thông nhau như một dây dẫn bình thường.
• Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E.
• Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E , trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E.
• Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối CE ( lúc này dòng IC = 0 )
• Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+) nguồn UBE qua công tắc, qua R hạn dòng và qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB
• Ngay khi dòng IB xuất hiện thì lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB
• Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức:
• IC là dòng chạy qua mối CE
• IB là dòng chạy qua mối BE
• β là hệ số khuyếch đại của Transistor
Giải thích : Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N ( cực E ) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor.
Transistor lưỡng cực được chia thành 2 loại NPN (Phân cực ngược) & PNP(Phân cực thuận)
H3 Cấu trúc vật lý của NPN và PNP
H4 Kí hiệu cho các loại transistor NPN và PNP
Transistor NPN là một loại transistor lưỡng cực (BJT) được cấu tạo từ ba phần chính: emitter (phát xung), base (cực gốc) và collector (cực thu) Điểm tiếp nối emitter-base phân cực thuận, trong khi điểm tiếp nối collector-base phân cực nghịch Trong transistor NPN, cực phát (emitter) được làm bằng vật liệu bán dẫn loại N, cực gốc (base) làm bằng vật liệu bán dẫn loại P, và cực thu (collector) làm bằng vật liệu bán dẫn loại N Khi dòng điện được áp dụng vào cực phát, nó sẽ kích hoạt các hạt tự do ở vật liệu loại N bên trong cực phát, làm chúng di chuyển đến cực thu, và do đó điều khiển dòng điện chảy qua transistor NPN. Transistor NPN có thể được sử dụng để khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu, và là một linh kiện quan trọng trong các mạch điện tử.
Trong transistor lưỡng cực NPN, chất bán dẫn loại p nằm giữa hai chất bán dẫn loại n như hình sau Dòng điện chạy qua emitter và collector tương ứng với IE và IC, VEB và VCB lần lượt là điện áp giữa emitter-base và collector-base Đối với IE IB IC, dòng điện đi vào BJT mang điện tích dương, còn dòng điện đi ra khỏi BJT mang điện tích âm.
Transistor PNP là một loại transistor lưỡng cực được cấu tạo từ hai lớp nằm giữa một lớp p Khác với transistor NPN, trong PNP transistor, dòng điện chạy từ emitter đến collector thông qua lớp p, và điện tử di chuyển từ emitter đến base Khi điện áp được áp dụng giữa base và emitter, nó sẽ kích hoạt một dòng điện từ emitter đến collector, và transistor sẽ hoạt động như một công tắc hoặc một khuếch đại tín hiệu Điện áp giữa collector và emitter sẽ xác định lớn hay nhỏ của dòng điện chạy qua transistor.
Cụ thể, trong transistor PNP, lớp p chính là đầu vào (base), emitter là đầu ra và collector nằm giữa hai đầu vào này Dòng điện vào base được sử dụng để điều khiển dòng điện từ emitter đến collector Khi điện áp giữa base và emitter được tăng lên, điện áp giữa collector và emitter cũng tăng, và dòng điện chạy qua transistor sẽ được kích hoạt.
Tương tự như transistor NPN, transistor PNP cũng có nhiều ứng dụng trong các mạch điện tử, chẳng hạn như khuếch đại tín hiệu và chuyển đổi tín hiệu Tuy nhiên, transistor PNP thường được sử dụng trong các mạch điện tử có dòng điện thấp hơn so với transistor NPN. Ở transistor lưỡng cực p-n-p, chất bán dẫn loại n nằm giữa hai chất bán dẫn loại p như hình sau Với PNP transistor, dòng điện đi vào BJT thông qua emitter Tương tự như các loại transistor lưỡng cực khác, điểm tiếp nối emitter-base phân cực thuận còn điểm tiếp nối collector-base phân cực nghịch.
Chúng ta có thể lập bảng về sự khác nhau giữa các dòng điện áp trong 2 loại transistor trên như sau:
Loại Transistor IE IB IC VEB VCB VCE
PNP + - - + - - d Ưu, nhược điểm của transistor lưỡng cực
+ Hệ số khuếch đại cao hơn nhiều so với FET
+ Tần số làm việc cao
+ Tiếng ồn trong BJT nhiều hơn so với FET
+ Tốc độ đóng cắt chậm hơn FET e Ứng dụng.
Transistor hiệu ứng trường
a Giới thiệu chung về FET.
- Transistor hiệu ứng trường hay còn có tên gọi khác là Transistor trường, là nhóm các linh kiện bán dẫn loại transistor có sử dụng điện trường để kiểm soát tác động đến độ dẫn của kênh dẫn của vật liệu bán dẫn FET là transistor đơn cực nên chúng liên quan đến hoạt động của phần tử tải điện đơn.
- Khái niệm về FET có trước transistor lưỡng cực (BJT), nhưng nó không được đưa vào ứng dụng, cho đến khi BJT gặp những hạn chế của vật liệu bán dẫn và do cả sản xuất BJT tương đối dễ so với FET vào thời điểm đó.
Transistor trường có ba chân cực: cực nguồn (Source) ký hiệu là S, cực cổng (Gate) ký hiệu là G và cực máng ký hiệu là D (Drain).
- Cực nguồn S là nơi mà các hạt dẫn đa số đi vào kênh và tạo ra dòng điện nguồn Is.
- Cuc mảng D là nơi các hạt dẫn đa số đi ra khỏi kênh.
- Cực cửa G là cực điều khiển dòng điện chạy qua kênh.
Thông lộ (kênh) là để chỉ vùng bán dẫn giữa D và S. b Phân loại.
FET có 2 loại là MOSFET và JFET, trong thực tế MOSFET được sử dụng rộng rãi hơn.
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor).
Là loại transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp Khác với transistor BJT có cổng điều khiển bằng dòng điện, MOSFET được điều khiển bằng điện áp.
MOSFET đòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ kích đóng nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp Tuy nhiên, MOSFET có điện trở khi dẫn điện lớn Do đó, công suất tổn hao khi dẫn điện lớn làm nó không thể phát triển thành linh kiện công suất lớn Được sử dụng nhiều trong các ứng dụng công suất nhỏ (vài kW).
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
- Linh kiện MOSFET có thể có cấu trúc pnp và npn Hình bên dưới mô tả cấu trúc của MOSFET loại npn Giữa lớp kim loại mạch cổng và các mối n+ và p có lớp điện môi silicon oxid SiO.Điểm thuận lợi cơ bản của MOSFET là khả năng điều khiển kích đóng ngắt linh kiện bằng xung điện áp ở mạch cổng.
H8 Cấu tạo và kí hiệu của MOSFET
+ Nguyên lý hoạt động của MOSFET
- Khi điện áp dương đặt lên giữa cổng G và Source, tác dụng của điện trường (FET) sẽ kéo các electron từ lớp n+ vào lớp p Tạo điều kiện hình thành một kênh nối gần cổng nhất, cho phép dòng điện từ cực Drain tới cực Source.
- MOSFET có 4 loại bao gồm N-Mosfet, P-Mosfet, Hexfet vàCoolmos.
- Trong các loại được nêu trên đây, có 2 loại thường sử dụng trong các thiết bị là N-Mosfet và P-Mosfet
H9 Sơ đồ mạch tìm hiểu hoạt động mosfet kênh N
+ MOSFET kênh N: Điện áp điều khiển mở MOSFET là UGS > 0, dòng điện sẽ đi từ D xuống S.
+ Mạch kích dùng Diode Zener 12V để cố định nguồn điện áp 12V, điện trở R1 hạn dòng cho Zener Khi biến trở RV1 thay đổi giá trị từ 0 – 10k thì điện áp ở UGS sẽ thay đổi từ 0 – 12V Và qua mô phỏng ta thấy được:
- Khi điện áp kích UGS > 4V thì MOSFET bắt đầu dẫn.
- Khi điện áp UGS>10V thì điện áp UDS = 0,25V không thay đổi(MOSFET dẫn bão hòa).
+ MOSFET kênh P: Điện áp điều khiển mở MOSFET là UGS < 0, dòng điện sẽ đi từ S đến D.
H10 Sơ đồ mạch tìm hiểu hoạt động Mosfet kênh P
+ Tương tự như mạch kích MOSFET kênh N, dùng diode Zener 12V để tạo nguồn điện áp 12V Khi biến trở RV1 thay đổi giá trị từ 10K – 0 Ohm thì điện áp UGS = - USG thay đổi từ 0 – 12V. Qua mô phỏng ta thấy được:
- Khi điện áp USG > 4V thì MOSFET kênh P bắt đầu dẫn.
- Khi điện áp USG > 10V thì MOSFET dẫn bão hòa.
JFET (Junction Field Effect Transistor)
- JFET hay còn được gọi là Transistor hiệu ứng trường cổng nối hoặc FET nối Đây là một loại đơn giản của FET (Transistor hiệu ứng trường) Nó thường được sử dụng làm phần tử chuyển mạch điều khiển điện tử hoặc sử dụng làm phần tử khuếch đại hay làm điện trở điều khiển bởi điện áp trong các mạch điện tử…
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- JFET được gọi là FET có mối nối đơn, có hai loại là JFET kênh N và kênh P.
- JFET kênh N có cấu tạo gồm thanh bán dẫn loại N, hai đầu nối với hai dây ra gọi là cực máng D và cực nguồn S Hai bên thanh bán dẫn loại N là hai vùng bán dẫn loại P tạo thành mối nối p- n như diode Hai vùng này được nối với nhau gọi là cực cửa G.
- JFET kênh P có cấu tạo tương tự nhưng bóng bán dẫn ngược lại với JFET kênh N.
H11 Cấu tạo và ký hiệu của JFET
- Đầu tiên, ta đặt một điện áp VDS vào giữa D và S Khi đó, nó sẽ tạo ra một điện trường tác dụng lên hạt tải đa số của kênh bán dẫn làm chúng chạy từ S sang D và hình thành dòng điện
ID Sau đó, dòng điện ID sẽ tăng theo điện áp VDS cho đến khi đạt giá trị bão hòa IDSS với mức điện áp được gọi là điện áp thắt kênh VPO, tăng VDS lớn hơn VPO thì ID vẫn không tăng.
- Tiếp theo, ta đặt một điện áp VGS vào giữa G và S sao cho không phân cực hoặc phân cực nghịch mối P – N Trong trường hợp mối P – N không phân cực thì ta có dòng ID đạt giá trị lớn nhất IDSS Còn đối với trường hợp điện áp phân cực nghịch càng lớn thì vùng tiếp xúc (Vùng hiếm) càng mở rộng ra Việc này khiến tiết diện của kênh dẫn bị thu hẹp lại Kết quả là khi điện trở kênh tăng lên thì dòng điện qua kênh ID giảm xuống và ngược lại, VGS tăng đến giá trị VPO thì ID giảm về 0.
+ JFET mắc kiểu cực nguồn chung (Common Source = CS)
Tín hiệu vào G so với S, tín hiệu ra D so với S.
H12 Sơ đồ mắc kiểu cực nguồn chung
+ JFET mắc kiểu cực cổng chung (Common Gate = CG)
Tín hiệu vào S so với G, tín hiệu ra D so với G.
H.13 Sơ đồ mắc mạch cổng chung
+ JFET mắc kiểu cực thoát chung (Common Drain = CD) Tín hiệu vào G so với D, tín hiệu ra S so với D.
H14 Sơ đồ mắc mạch thoát chung c Ưu, nhược điểm của transistor trường:
+ Dòng điện qua tranzito chỉ do một loại hạt dẫn đa số tạo nên.
Do vậy FET là loại cấu kiện đơn cực (unipolar device).
+ FET có trở kháng vào rất cao.
+ Tiếng ồn trong FET ít hơn nhiều so với tranzito lưỡng cực.
+ FET ngắt điện tốt do nó không bù điện áp tại dòng ID = 0
+ Có độ ổn định về nhiệt cao
+ Tần số làm việc cao.
Nhược điểm lớn nhất của FET là hệ số khuếch đại thấp hơn nhiều so với BJT. d Ứng dụng.
+ Với những ưu, nhược điểm và đặc điểm trên, FETs được ứng dụng nhiều sau này trong các mạch điều khiển logic và trong vi mạch số Ngày nay FETs được ứng dụng rất nhiều trong các mạch tích hợp chuyển mạch.
+ Với chế độ hoạt động chủ yếu là Cut-off và bão hòa đã giúp rất nhiều cho những nhà thiết kế tối ưu sản phẩm, nâng cao hiệu suất Điển hình là Mosfet kênh N và Mosfet kênh P thuộc họFETs.
Transistor mối đơn cực
- Transistor UJT là loại transistor có ba cực nhưng chỉ có duy nhất một tiếp giáp Nó hoạt động như một khóa có điều khiển. Tuy loại transistor này không được phổ biến rộng rãi như transistor lưỡng cực nhưng nó vẫn giữ một vai trò nhất định trong các mạch tạo sóng và định giờ. b Cấu tạo
Cấu tạo cơ bản của transistor UJT bao gồm một thỏi bán dẫn pha nhẹ loại N- và hai lớp tiếp xúc kim loại nằm ở hai đầu của bán dẫn tạo thành hai cực nền phân biệt gọi là cực B1 và cực B2 Trong đó, hợp chất của dây nhôm nhỏ hình thành nối PN và đóng vai trò làm chất bán dẫn loại P Thiết kế vùng P thường gần cực B2 hơn B1 (Nằm cách vùng B1 một khoảng bằng 70% chiều dài của hai cực nền B1, B2) để có thể cung cấp tối ưu các đặc tính điện khi ứng dụng vào thực tế Còn khu vực loại P (dây nhôm) đóng vai trò làm cực phát E. c Nguyên lý hoạt động.
- Giả sử điện áp cung cấp cực phát VE giảm xuống bằng không rồi điện áp bên trong phân cực ngược các diode phát Nếu VB là điện áp ngưỡng của diode phát thì tổng điện áp phân cực ngược được xác định theo công thức: VA+ VB = VBB + VB.
- Tiếp theo, ta để điện áp cung cấp cho cực phát VE tăng từ từ. Cho đến khi giá trị VE bằng với giá trị của VB thì IE0 giảm về không Nếu điện áp ở mỗi bên diode bằng nhau thì dòng điện không đảo ngược cũng không chuyển tiếp Sau đó, nếu điện áp cung cấp tiếp tục gia tăng vượt quá giá trị VB thì diode sẽ phân cực thuận ngay khi vượt quá tổng điện áp phân cực ngược (VBB + VB) Giá trị này của VE được gọi là điện áp đỉnh và được ký hiệu là VP Trong trạng thái VE = VP, dòng phát bắt đầu chảy qua RB1 xuống đất Đây là dòng tối thiểu để UJT dẫn Điện áp VBB tỷ lệ nghịch với IP
- Lúc này, diode bắt đầu hoạt động Vùng RB của thanh sẽ nhận các hạt mang điện Điện trở của vùng RB giảm nhanh do sự gia tăng của các hạt mang điện (Lỗ) Điều này kéo theo điện áp rơi trên RB giảm và làm cho diode phát bị lệch về phía trước nhiều hơn Kết quả là dòng điện phía trước lớn hơn và dòng phát tiếp tục tăng lên cho đến khi đạt đến giá trị giới hạn của nguồn cung cấp năng lượng phát UJT thường được kích hoạt dẫn truyền bằng cách kích xung dương phù hợp cho bộ phát và được tắt bằng cách kích một xung âm. d Ứng dụng.
Nó được sử dụng rộng rãi trong các mạch kích hoạt cho chỉnh lưu silic kiểm soát Các chi phí thấp cho mỗi sản phẩm, kết hợp với các đặc tính độc đáo của nó, đã đảm bảo việc sử dụng nó trong một loạt các ứng dụng như máy tạo dao động, máy phát xung, máy phát điện răng cưa, mạch kích hoạt, điều khiển pha, mạch thời gian, và ổn áp hay ổn dòng Các loại UJT gốc đang coi là lỗi thời; nhưng một thiết bị đa lớp sau là "transistor unijunction lập trình được", vẫn còn phổ biến rộng rãi.