1. Transistor là gì?
- Transistor hay còn gọi là tranzito là một loại linh kiện bán dẫn chủ động. Thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hay khóa điện tử. Với khả năng đáp ứng nhanh, chính xác nên transistor được sử dụng nhiều trong ứng dụng tương tự và số như: mạch khuếch đại, điều chỉnh điện áp, tạo dao động và điều khiển tín hiệu.
- Tên gọi transistor là từ ghép trong Tiếng Anh của “Transfer” và “resistor” tức là điện trở chuyển đổi. Tên gọi này được John R. Pierce đặt năm 1948 sau khi linh kiện này ra đời. Nó có ý nghĩa rằng thực hiện khuếch đại thông qua chuyển đổi điện trở.
2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của transistor
2.1. Cấu tạo
- Về mặt cấu tạo, transistor được cấu tạo bởi hai lớp bán dẫn điện ghép lại với nhau. Như hình trên, chúng ta có thể thấy có hai loại dẫn điện là loại “P” (p-type) và loại “N” (n-type).
- Khi ghép một bán dẫn điện âm nằm giữa hai bán dẫn điện dương ta được transistor loại “PNP”. Còn khi ghép một bán dẫn điện dương nằm giữa hai bán dẫn điện âm ta được transistor loại “NPN”. Bởi thế, chức năng transistor được chia thành 2 loại là: “NPN” và “PNP”.
2.2. Nguyên lý hoạt động của transistor
- Transistor hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng điện chạy qua hai cực C (Collector) và E (Emitter) bằng một dòng điện nhỏ hơn chạy qua cực B (Base).
- Ban đầu, khi chưa có dòng điện tại cực B (công tắc mở), mặc dù có điện áp UCE đặt vào giữa cực C và E, dòng điện IC vẫn không thể chạy qua, do mối nối P-N giữa cực C và E chưa được phân cực thuận.
- Khi có dòng điện nhỏ IB chạy qua cực B (công tắc đóng), mối nối P-N giữa cực B và E được phân cực thuận, cho phép các hạt tải điện (electron và lỗ trống) di chuyển qua lại. Điều này tạo ra một dòng điện lớn hơn nhiều, là IC, chạy qua mối nối P-N giữa cực C và E.
- Nguyên nhân là do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và có nồng độ pha tạp thấp. Khi có dòng IB, một lượng lớn các electron từ cực E sẽ vượt qua mối nối P-N vào cực B. Tuy nhiên, do lớp P rất mỏng, phần lớn các electron này sẽ tiếp tục di chuyển sang cực C dưới tác dụng của điện áp UCE, tạo thành dòng IC.
- Như vậy, dòng IC phụ thuộc hoàn toàn vào dòng IB và được xác định bởi công thức: IC = β.IB, với β là hệ số khuếch đại của transistor. Điều này cho phép nó hoạt động như một bộ khuếch đại dòng điện, biến đổi một dòng điện nhỏ thành một dòng điện lớn hơn nhiều.
- Transistor hoạt động được nhờ đặt một điện thế một chiều vào vùng biến (junction). Điện thế này gọi là điện thế kích hoạt. Có hai cách thức hoạt động của NPN và PNP là: phân cực thuận và phân cực nghịch.
3. Phân loại transistor
- Transistor là linh kiện bán dẫn quan trọng với nhiều loại khác nhau, mỗi loại có chức năng riêng. Ba loại transistor phổ biến nhất là transistor lưỡng cực (BJT), transistor hiệu ứng trường (FET, bao gồm MOSFET) và transistor mối đơn cực (UJT). Trong đó, BJT được sử dụng rộng rãi nhất.
- Transistor lưỡng cực (BJT): Có ba cực là cực gốc (B), cực thu (C) và cực phát (E). BJT có hai loại là NPN và PNP. Ưu điểm của BJT là hệ số khuếch đại cao và tần số làm việc cao. Tuy nhiên, BJT có nhược điểm là tiếng ồn cao hơn và tốc độ đóng cắt chậm hơn so với FET. BJT được sử dụng trong nhiều thiết bị điện tử, từ vi xử lý đến mạch tích hợp (IC).
- Transistor hiệu ứng trường (FET, MOSFET): Sử dụng điện trường để điều khiển dòng điện. FET là linh kiện đơn cực, nghĩa là chỉ sử dụng một loại hạt tải điện. Có hai loại FET chính: JFET (điều khiển bằng tiếp giáp p-n) và MOSFET (có cửa cách điện). MOSFET lại có các loại như N-MOSFET, P-MOSFET, HEXFET và CoolMOS. Ưu điểm của FET là trở kháng vào cao, tiếng ồn thấp, ngắt điện tốt, ổn định nhiệt cao và tần số làm việc cao. Nhược điểm chính của FET là hệ số khuếch đại thấp hơn BJT. FET thường được dùng trong mạch logic, vi mạch số và mạch tích hợp chuyển mạch.
- Transistor mối đơn cực (UJT): Là linh kiện ba cực với một tiếp giáp, hoạt động như một khóa điều khiển. UJT được sử dụng trong các mạch kích hoạt, máy tạo dao động, máy phát xung, nhưng không được dùng làm bộ khuếch đại tuyến tính. UJT không phổ biến và các loại UJT cũ đang dần lỗi thời.
4. Cách phân biệt Transistor thuận và Transistor nghịch
- Bước 1: Xác đinh chân B
+ Transistor có 3 chân, bạn tiến hành đo 2 chân bất kì, trong đó sẽ có 2 phép thử làm kim đồng hồ dịch chuyển. Từ đó bạn xác đinh được chân chung (chân B)
- Bước 2: Xác định Transistor thuận – nghịch
+ Đặt que đo 1 vào chân B đã xác định và que còn lại vào 1 trong 2 chân bất kì.
+ Nếu que đo 1 là đỏ thì suy ra đó là Transistor loại NPN
+ Nếu que đo 1 là màu đen thì suy ra Transistorđó là loại PNP
- Bước 3: Xác định chân E-C
+ Chấm que (+) vào chân mà mình nghi ngờ là chân C, que (-) nối vào chân E (chân còn lại là chân B đã xác định ở trên), dùng ngón tay nối B và C lại,thấy kim lên thì đó chính là chân C, nghi ngờ đúng. nếu kim không lên thì nghi ngờ sai,thử lại.
5. Ưu điểm nổi thật
- Kích thước nhỏ gọn: Tiết kiệm không gian, tích hợp hàng triệu transistor vào IC.
- Tiết kiệm năng lượng: Tiêu thụ ít điện năng, phù hợp với thiết bị di động.
- Độ tin cậy cao: Hoạt động ổn định, bền bỉ trong nhiều điều kiện môi trường.
- Hiệu suất cao: Khuếch đại tín hiệu mạnh mẽ, hoạt động ở tần số cao.
- Tính linh hoạt: Sử dụng trong nhiều mạch điện khác nhau (khuếch đại, dao động, chuyển mạch).
- Chuyển mạch nhanh: Chuyển đổi trạng thái bật/tắt nhanh chóng.
- Chi phí thấp: Giá thành rẻ nhờ công nghệ sản xuất hiện đại.
- Dễ dàng tích hợp: Tích hợp vào các IC phức tạp, tối ưu hóa hiệu suất.
6. Ứng dụng của Transistor
- Khuếch đại tín hiệu:
+ Transistor được sử dụng trong các bộ khuếch đại âm thanh để tăng cường biên độ của tín hiệu âm thanh, từ đó tạo ra âm thanh lớn hơn từ loa. Trong màn hình LCD, transistor đóng vai trò như những công tắc nhỏ, điều khiển cường độ ánh sáng của từng điểm ảnh để tạo thành hình ảnh.
+ Ngoài ra, đối với vô tuyến Transistor khuếch đại tín hiệu yếu nhận được từ anten trong các máy thu vô tuyến, giúp cho việc thu sóng và giải điều chế tín hiệu hiệu quả hơn.
- Chuyển mạch:
+ Transistor hoạt động như một công tắc điện tử, cho phép đóng hoặc ngắt dòng điện chạy qua một mạch điện khác dựa trên tín hiệu điều khiển. Ví dụ: Điều khiển đèn LED, động cơ...
+ Ngoài ra, linh kiện bán dẫn này còn có thể được sử dụng để điều khiển dòng điện lớn chạy qua cuộn dây của rơ le, từ đó gián tiếp đóng ngắt các thiết bị điện công suất lớn.
- Mạch tạo dao động:
+ Transistor kết hợp với các linh kiện thụ động như điện trở, tụ điện, cuộn cảm có thể tạo thành mạch tạo dao động. Mạch này tạo ra tín hiệu điện có tần số và biên độ xác định, được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như đồng hồ, máy tính, bộ tạo sóng...
