Bóng bán dẫn là gì?

Bóng bán dẫn hay transistor là một thiết bị điều chỉnh dòng điện hoặc dòng điện áp và hoạt động như một công tắc hoặc cổng cho tín hiệu điện tử. Các bóng bán dẫn bao gồm ba lớp vật liệu bán dẫn, mỗi lớp có khả năng mang dòng điện.transistor được phát minh bởi ba nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1947 và nó đã nhanh chóng thay thế ống chân không như một bộ điều chỉnh tín hiệu điện tử.

Một bóng bán dẫn điều chỉnh dòng điện hoặc dòng điện áp và hoạt động như một công tắc hoặc cổng cho tín hiệu điện tử. Một bóng bán dẫn bao gồm ba lớp vật liệu bán dẫn , mỗi lớp có khả năng mang dòng điện. Chất bán dẫn là một vật liệu như gecmani và silic dẫn điện theo cách “bán nhiệt tình”. Đó là một nơi nào đó giữa một dây dẫn thực sự như đồng và một chất cách điện (như nhựa bọc quanh dây điện).

Vật liệu cấu tạo Transistor

Vật liệu bán dẫn được cho các tính chất đặc biệt bởi một quá trình hóa học gọi là doping . Sự pha tạp dẫn đến một vật liệu có thêm các electron bổ sung vào vật liệu (được gọi là loại N cho các hạt mang điện tích âm thêm) hoặc tạo ra các “lỗ hổng” trong cấu trúc tinh thể của vật liệu (sau đó được gọi là loại P vì nó tạo ra trong các hạt mang điện tích cực hơn). Cấu trúc ba lớp của bóng bán dẫn chứa một lớp bán dẫn loại N được kẹp giữa các lớp loại P (cấu hình PNP) hoặc lớp loại P giữa các lớp loại N (cấu hình NPN).

Một thay đổi nhỏ trong dòng điện hoặc điện áp ở lớp bán dẫn bên trong (đóng vai trò là điện cực điều khiển) tạo ra sự thay đổi lớn, nhanh chóng trong dòng điện đi qua toàn bộ thành phần. Thành phần này có thể hoạt động như một công tắc, mở và đóng cổng điện tử nhiều lần trong một giây.

Các máy tính ngày nay sử dụng mạch được chế tạo bằng công nghệ bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS). CMOS sử dụng hai bóng bán dẫn bổ sung cho mỗi cổng (một với vật liệu loại N; cái còn lại với vật liệu loại P). Khi một bóng bán dẫn đang duy trì trạng thái logic, nó hầu như không cần nguồn điện.

Các bóng bán dẫn là các thành phần cơ bản trong các mạch tích hợp ( IC ), bao gồm một số lượng rất lớn các bóng bán dẫn được kết nối với mạch và được nướng thành một vi mạch silicon duy nhất.

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.Mạch Transistor dùng làm công tắc điện tử

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  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 transistor sẽ khuếch đại sự thay đổi đó và xuất tín hiệu ra ở cực C hay  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.

Transistor được dùng làm bộ khuếch đại

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.

Cách thức hoạt động (Operating Mode)EBJCBJ
Phân cực nghịch Cut-Off Nghịch (Reverse) Nghịch (Reverse)
Phân cực thuận nghịch Active Thuận (Forward) Nghịch (Reverse)
Phân cực thuận Saturation Thuận (Forward Thuận (Forward)
Phân cực nghịch thuận Reverse-Active Nghịch (Reverse) Thuận (Forward)

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:

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.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.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 lớpVề công suất: thyristor có khả năng chuyển một lượng điện năng lớn hơn transistorỨng 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.

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.

Người đăng: chiu
Time: 2021-10-22 17:09:48