Báo cáo nhóm học phần vật lý 1 tổng quan về transistor

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ

2 Đào Quang Nam

Lớp : 2022DHDTTT05

Hà Nam, ngày 25 tháng 05 năm 2023

MỤC LỤC

Lời nói đầu 3

Nội dung báo cáo 4

I Tổng quan về Transistor 4

1 Nguồn gốc của Transistor 4

2 Khái niệm về Transistor 4

II Phân loại và tìm hiểu từng loại 6

1 Transistor lưỡng cực 6

2 Transistor hiệu ứng trường 16

3 Transistor mối đơn cực 23

Kết luận 27

Tài liệu tham khảo 28

LỜI NÓI ĐẦU

Vật lý là ngành khoa học tự nhiên một môn khoa học tự nhiên tập trung vào sự nghiên cứu vật chất và chuyển động của nó trong không gian và thời gian, cùng với các khái niệm liên quan như năng lượng và lực Vật lý là một mắt xích then chốt trong việc kết nối các ngành khoa học khác, liên quan đến mọi lĩnh vực trong đời sống, phục vụ nhu cầu của con người: Sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, công nghệ thông tin và truyền thông, y học,…

Để hiểu được tầm quan trọng của vật lý, không phải ngẫu nhiên học sinh được trang bị kiến thức của môn khoa học cổ này xuyên suốt từ bậc THCS, bậc THPT, và bây giờ là bậc Đại học Trong đó Vật lý đại cương 1 là một trong những học phần bắt buộc và cần thiết trang bị cho sinh viên để nắm được những kiến thức cơ bản về Cơ học và Điện – Từ, là kiến thức cơ sở để phát triển cho các môn chuyên ngành tiếp theo, đặc biệt là đối với sinh viên khối kỹ thuật Một trong những kiến thức quan trọng nhất đó chính là linh kiện bán dẫn.

Linh kiện bán dẫn đang ngày càng phổ biến trong các thiết bị điện tử bởi tính nhỏ gọn Nó được sử dụng dẫn truyền điện từ ở trạng thái rắn trái ngược với các trạng thái truyền điện tử phát xạ nhiệt hay khí trong chân không như ở các đèn điện tử chân không Vì thế linh kiện bán dẫn đã thay thế hầu hết các ứng dụng Và loại linh kiện bán dẫn thông dụng nhất, có ứng dụng rộng rãi tỏng đời sống đó là Transitor Trong bản báo cáo này nhóm 1.2G xin được giới thiệu những thứ mà nhóm đã tìm hiểu được liên quan đến Transitor.

Xin chân thành cảm ơn !

NỘI DUNG BÁO CÁO

I Tổng quan về Transistor.

1 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.

2 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.

H1 Một số loại Transistor

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 Transistor thuộc khối đơn vị cơ bản cấu thành cấu trúc mạch trên các thiết bị điện tử và có độ chính xác cao nên chúng cũng được sử dụng nhiều trong mạch khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu và tạo dao động Transistor cũng có thể kết hợp thành mạch tích hợp IC (Integrated circuit ), có thể tích hợp hàng tỷ transistor trên một diện tích nhỏ

Tên gọi của Transistor là từ ghép giữa 2 từ “Transfer” và “Resistor” trong tiếng Anh, có nghĩa là điện trở chuyển đổi Tên gọi này được John R.Pieece đặt năm 1948 sau khi linh kiện này ra đời Nó có ý nghĩa là khuếch đại thông qua chuyển đổi điện trở.

II Phân loại và tìm hiểu về từng loại.

Có rất nhiều loại transistor với những chức năng chuyên biệt khác nhau Tuy nhiên, người ta thường biết đến transistor với 3 loại: Transistor lưỡng cực (BJT), transistor hiệu ứng trường (FET, MOSFET) và transistor mối đơn cực (UJT) Trong 3 loại transistor vừa nêu, transistor lưỡng cực BJT là phổ biến nhất.

1 Transistor lưỡng cực ( Bipolar junction transistor ).

a Khái niệm

 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 = β.IB Trọng đó:

• 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.

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.

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 TransistorIEIBICVEBVCBVCE

Transistor lưỡng cực được ứng dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử xuyên suốt theo thời gian, từ các bộ vi xử lý máy tính với hàng triệu transistor siêu nhỏ trên mỗi cm2 cho đến những vi mạch tích hợp IC ( Intergrated-Circuit) được thiết kế trong những thiết bị điện tử hiện đại ngày nay hay transistor lưỡng cực rời rạc trong các mạch tương tự cổ điển.

+ Ứng dụng transistor làm công tắc:

• Các công tắc bóng bán dẫn đều sử dụng một loại bóng có tiếp giáp với phân cực NPN ngược Đối với loại bóng này ta có thể điều khiển một LED công suất cao Đầu vào điều khiển tại chân Base và đầu ra ở Collector, chân Emitter giữ ở một điện áp không đổi GND.

• Chuyển mạch được điều khiển bởi chân base, thiết bị được trang bị một cần truyền động gạt nhảy Vi điều khiển chân I/O giống với chân Arduino.

• Mạch ở trên chỉ là chuyển mạch bên thấp vì có chứa transistor – chuyển mạch ở bên điện áp thấp Chúng ta có thể làm một bóng bán dẫn PNP để tạo một bộ chuyển mạch ở điện áp cao • Chuyển mạch ở điện áp cao: Tương tự như trên, chân Base ở đầu vào và E gắn với điện áp không đổi Tuy nhiên chân E gắn ở mức cao và tải được kết nối với các bóng bán dẫn ở mặt đất + Ứng dụng điện trở Base (điện trở cực gốc):

• Trong các mạch sử dụng nhiều điện trở giữa các đầu vào điều khiển và chân Base của các bóng bán dẫn Một bóng bán dẫn mà ko có điện trở trên Base sẽ giống như LED ko có điện trở hạn dòng.

• Một bóng bán dẫn cần một cặp diopde nối liền, phân cực thuận tiếp xúc diode Base – Emitter để bật tải Các điện trở giữa nguồn điều khiển và chân base hạn chế dòng tới chân base Tiếp giáp base-emitter có mức điện áp rơi lý tưởng vào khoảng 0.6V, và điện trở tiêu tốn lượng điện áp còn lại.

f Cách lắp mạch Transistor Nguyên tắc mắc chung

- Lấy 2 trong 3 cực của Transistor làm tín hiệu vào.

- Cực còn lại với 1 trong 2 cực của lối vào làm tín hiệu ra.

- Cực nào được mắc chung với lối vào và lối ra được gọi là cách mắc cực chung

- Có 3 cách lắp mạch Transistor cơ bản:

+ Mắc cực Emitter chung (EC): Tăng dòng và tăng điện áp

+ Mắc cực Collector chung (CC): Tăng dòng nhưng không tăng Rpa : Là điện trở phân áp.

Mạch khuyếch đại E chung thường được định thiên sao cho điện áp UCE khoảng 60% ÷ 70 % Vcc.

Biên độ tín hiệu ra thu được lớn hơn biên độ tín hiệu vào nhiều lần, như vậy mạch khuyếch đại về điện áp.

Dòng điện tín hiệu ra lớn hơn dòng tín hiệu vào nhưng không đáng kể.

Tín hiệu đầu ra ngược pha với tín hiệu đầu vào : vì khi điện áp tín hiệu vào tăng làm dòng IBE tăng khi đó dòng ICE tăng và sụt áp trên Rg tăng Kết quả là điện áp chân C giảm , và ngược lại khi điện áp đầu vào giảm thì điện áp chân C lại tăng Vì vậy điện áp đầu ra ngược pha với tín hiệu đầu vào.

Mạch mắc theo kiểu E chung như trên được ứng dụng nhiều nhất trong thiết bị điện tử.

 Mắc kiểu Collector chung

Mạch mắc theo kiểu C chung có chân C đấu vào mass hoặc dương nguồn ( Lưu ý : về phương diện xoay chiều thì dương nguồn tương đương với mass ) , Tín hiệu được đưa vào cực B và lấy ra trên cực E , mạch có sơ đồ như sau :

H6 Sơ đồ mạch mắc C chung

Tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực E

Biên độ tín hiệu ra bằng biên độ tín hiệu vào : Vì mối BE luôn luôn có giá trị khoảng 0,6V do đó khi điện áp chân B tăng bao nhiêu thì áp chân C cũng tăng bấy nhiêu Vì vậy biên độ tín hiệu ra bằng biên độ tín hiệu vào

Tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào : Vì khi điện áp vào tăng thì điện áp ra cũng tăng, điện áp vào giảm thì điện áp ra cũng giảm.

Cường độ của tín hiệu ra mạnh hơn cường độ của tín hiệu vào nhiều lần : Vì khi tín hiệu vào có biên độ tăng làm dòng IBE sẽ tăng và dòng ICE cũng tăng gấp β lần dòng IBE vì ICE = β.IBE Giả sử Transistor có hệ số khuyếch đại β = 50 lần thì khi dòng IBE tăng 1mA => dòng ICE sẽ tăng 50mA, dòng ICE chính là dòng của tín hiệu đầu ra, như vậy tín hiệu đầu ra có cường độ dòng điện mạnh hơn nhiều lần so với tín hiệu vào.

Mạch trên được ứng dụng nhiều trong các mạch khuyếch đại Damper, trước khi chia tín hiệu làm nhiều nhánh , người ta thường dùng mạch Damper để khuyếch đại cho tín hiệu khoẻ hơn.

 Mắc kiểu Base chung.

H7 Sơ đồ mạch lắp B chung

Mạch mắc theo kiểu B chung có tín hiệu đưa vào chân E và lấy ra trên chân C , chân B được thoát mass thông qua tụ Ở đây các thông số đầu vào là VEB và IE và các thông số đầu ra là VCB và IC Dòng điện đầu vào đi vào cực phát phải cao hơn dòng điện cực gốc và dòng điện cực thu để vận hành transistor,

do đó dòng điện cực thu đầu ra nhỏ hơn dòng điện cực phát đầu vào.

Các tín hiệu đầu vào và đầu ra là cùng pha trong cấu hình này Cấu hình mạch khuếch đại kiểu này được gọi là mạch khuếch đại không đảo Việc xây dựng mạch cấu hình này khó vì loại này có giá trị độ tăng điện áp cao.

Mạch cực gốc chủ yếu được sử dụng trong các mạch khuếch đại giai đoạn đơn, chẳng hạn như tiền khuếch đại hoặc khuếch đại tần số vô tuyến ở microphone vì đáp ứng tần số cao.

Mạch mắc kiểu B chung rất ít khi được sử dụng trong thực tế g Thông số kĩ thuật cần lưu ý của transistor

+ Dòng điện cực đại : Là dòng điện giới hạn của transistor, vượt qua dòng giới hạn này Transistor sẽ bị hỏng.

+ Điện áp cực đại : Là điện áp giới hạn của transistor đặt vào cực CE , vượt qua điện áp giới hạn này Transistor sẽ bị đánh thủng.

+ Tần số cắt : Là tần số giới hạn mà Transistor làm việc bình thường, vượt quá tần số này thì độ khuyếch đại của Transistor bị giảm

+ Hệ số khuyếch đại : Là tỷ lệ biến đổi của dòng ICE lớn gấp bao nhiêu lần dòng IBE

+ Công xuất cực đại : Khi hoat động Transistor tiêu tán một công xuất P = UCE ICE nếu công xuất này vượt quá công xuất cực đại của Transistor thì Transistor sẽ bị hỏng.

h Cách xác định loại Transistor

Transistor được chia ra làm 2 loại là NPN và PNP Mỗi loại sẽ có cách hoạt động khác nhau Do đó, việc quan trọng khi cầm trên tay một con tranzito thì phải biết được nó là loại NPN hay PNP và thứ tự các chân của nó.

Để xác định được transistor là loại nào và thứ tự các chân thì chúng ta cần có một VOM kim để xác định Các bước xác định như sau: