Transistor là gì? Cấu trúc, vật liệu và các loại transistor

Transistor là gì?

Transistor là một thiết bị bán dẫn được sử dụng để khuếch đại hoặc chuyển đổi tín hiệu điện và công suất. Nó là một trong những khối xây dựng cơ bản của thiết bị điện tử hiện đại. Nó được cấu tạo từ vật liệu bán dẫn, thường có ít nhất ba cực để kết nối với mạch điện tử. Điện áp hoặc dòng điện được đặt vào một cặp cực của transistor sẽ điều khiển dòng điện chạy qua cặp cực còn lại. Vì công suất điều khiển (đầu ra) có thể cao hơn công suất điều khiển (đầu vào), transistor có thể khuếch đại tín hiệu.

Lịch sử phát triển

Triode nhiệt điện tử, một ống chân không được phát minh vào năm 1907, đã cho phép công nghệ vô tuyến khuếch đại và điện thoại đường dài. Năm 1909, nhà vật lý William Eccles đã phát hiện ra bộ dao động diode tinh thể.

Nhà vật lý Julius Edgar Lilienfeld đã nộp bằng sáng chế cho một transistor hiệu ứng trường (FET) tại Canada vào năm 1925, với mục đích thay thế cho triode ở trạng thái rắn. Ông đã nộp các bằng sáng chế tương tự tại Hoa Kỳ vào năm 1926 và 1928.

Năm 1934, nhà phát minh Oskar Heil đã được cấp bằng sáng chế cho một thiết bị tương tự ở châu Âu.

Tầm quan trọng của transistor

Vì transistor là linh kiện chủ chốt trong hầu hết mọi thiết bị điện tử hiện đại, nhiều người coi chúng là một trong những phát minh vĩ đại nhất của thế kỷ 20.

Phát minh ra transistor đầu tiên tại Bell Labs đã được IEEE vinh danh là Cột mốc quan trọng vào năm 2009. Các cột mốc khác bao gồm phát minh ra transistor tiếp giáp vào năm 1948 và MOSFET vào năm 1959.

MOSFET cho đến nay là transistor được sử dụng rộng rãi nhất, trong các ứng dụng từ máy tính và thiết bị điện tử đến công nghệ truyền thông như điện thoại thông minh. Nó được coi là transistor quan trọng nhất, có thể là phát minh quan trọng nhất trong ngành điện tử, và là thiết bị cho phép điện tử hiện đại ra đời.

Nó đã là nền tảng của điện tử kỹ thuật số hiện đại kể từ cuối thế kỷ 20, mở đường cho kỷ nguyên số. Văn phòng Sáng chế và Nhãn hiệu Hoa Kỳ gọi đây là “phát minh đột phá đã thay đổi cuộc sống và văn hóa trên toàn thế giới”.

Vai trò của Transistor

Một transistor có thể sử dụng một tín hiệu nhỏ được đưa vào giữa một cặp cực của nó để điều khiển một tín hiệu lớn hơn nhiều ở một cặp cực khác, một đặc tính được gọi là độ lợi. Nó có thể tạo ra tín hiệu đầu ra mạnh hơn, điện áp hoặc dòng điện, tỷ lệ thuận với tín hiệu đầu vào yếu hơn, hoạt động như một bộ khuếch đại. Nó cũng có thể được sử dụng như một công tắc điều khiển bằng điện, trong đó lượng dòng điện được xác định bởi các thành phần khác trong mạch.

Có hai loại transistor, với sự khác biệt nhỏ về cách sử dụng:

• Transistor tiếp giáp lưỡng cực (BJT) có các cực được gắn nhãn là cực gốc, cực thu và cực phát. Một dòng điện nhỏ ở cực gốc, chạy giữa cực gốc và cực phát, có thể điều khiển hoặc chuyển mạch một dòng điện lớn hơn nhiều giữa cực thu và cực phát.
• Transistor hiệu ứng trường (FET) có các cực được gắn nhãn là cực cổng, cực nguồn và cực máng. Điện áp ở cực cổng có thể điều khiển dòng điện giữa cực nguồn và cực máng.

Transistor đóng vai trò là công tắc

Transistor thường được sử dụng trong các mạch kỹ thuật số như các công tắc điện tử, có thể ở trạng thái bật hoặc tắt, cho cả các ứng dụng công suất cao như bộ nguồn chế độ chuyển mạch và các ứng dụng công suất thấp như cổng logic. Các thông số quan trọng cho ứng dụng này bao gồm dòng điện chuyển mạch, điện áp được xử lý và tốc độ chuyển mạch, được đặc trưng bởi thời gian tăng và giảm.

Transistor như một bộ khuếch đại

Bộ khuếch đại cực phát chung được thiết kế sao cho một sự thay đổi nhỏ về điện áp (Vin) sẽ làm thay đổi dòng điện nhỏ chạy qua cực gốc của transistor, kết hợp với đặc tính của mạch, khiến cho những dao động nhỏ trong Vin tạo ra những thay đổi lớn trong Vout.

So sánh với đèn điện tử chân không

Ưu điểm

• Không có bộ gia nhiệt catốt (tạo ra ánh sáng cam đặc trưng của đèn điện tử), giảm tiêu thụ điện năng, loại bỏ độ trễ khi bộ gia nhiệt catốt nóng lên, và không bị nhiễm độc và cạn kiệt catốt.
• Kích thước và trọng lượng rất nhỏ, giúp giảm kích thước thiết bị.
• Số lượng lớn transistor cực nhỏ có thể được sản xuất thành một mạch tích hợp duy nhất.
• Điện áp hoạt động thấp tương thích với pin chỉ vài cell.
• Các mạch có hiệu suất năng lượng cao hơn thường khả thi. Đặc biệt, đối với các ứng dụng công suất thấp (ví dụ: khuếch đại điện áp), mức tiêu thụ năng lượng có thể ít hơn rất nhiều so với đèn điện tử.
• Có sẵn các thiết bị bổ sung, mang lại sự linh hoạt trong thiết kế, bao gồm cả mạch đối xứng bổ sung, điều mà đèn điện tử chân không không thể làm được.
• Độ nhạy rất thấp với va đập và rung động cơ học, mang lại độ bền vật lý và hầu như loại bỏ các tín hiệu tạp do va đập (ví dụ: microphonic trong các ứng dụng âm thanh).
• Không dễ bị vỡ vỏ thủy tinh, rò rỉ, thoát khí và các hư hỏng vật lý khác.

Hạn chế

• Transistors thiếu độ linh động electron cao hơn nhờ độ chân không của đèn điện tử, một đặc điểm mong muốn cho hoạt động công suất cao, tần số cao – chẳng hạn như trong một số máy phát truyền hình không dây và trong các đèn sóng lan truyền được sử dụng làm bộ khuếch đại trong một số vệ tinh.
• Transistors và các thiết bị bán dẫn khác dễ bị hư hỏng do các hoạt động điện và nhiệt rất ngắn, bao gồm cả phóng tĩnh điện trong quá trình xử lý. Đèn điện tử chân không bền hơn nhiều về mặt điện.
• Chúng nhạy cảm với bức xạ và tia vũ trụ (các chip đặc biệt được tôi luyện để chống bức xạ được sử dụng cho các thiết bị tàu vũ trụ).
• Trong các ứng dụng âm thanh, transistor không có độ méo hài thấp – cái gọi là âm thanh đèn điện tử – đặc trưng của đèn điện tử chân không và được một số người ưa chuộng.

Các loại transistor

Phân loại

• Cấu trúc: MOSFET (IGFET), BJT, JFET, transistor lưỡng cực cách ly cổng (IGBT).
• Vật liệu bán dẫn (chất pha tạp):
• Các á kim như germanium (được sử dụng đầu tiên vào năm 1947) và silicon (năm 1954) — ở các dạng vô định hình, đa tinh thể và đơn tinh thể.
• Các hợp chất như gallium arsenide (GaAs) (1966) và silicon carbide (SiC) (1997).
• Hợp kim silicon–germanium (SiGe) (1989).
• Dạng thù hình của carbon – graphene (đang được nghiên cứu từ năm 2004).
• Tính phân cực điện (cực tính): NPN, PNP (đối với BJT); N-channel, P-channel (đối với FET).
• Công suất cực đại: thấp, trung bình, cao.
• Tần số hoạt động cực đại: thấp, trung bình, cao, tần số vô tuyến (RF), tần số vi ba (microwave).
• Ứng dụng: công tắc, mục đích chung, âm thanh, điện áp cao, siêu beta, cặp ghép chính xác.
• Kiểu đóng gói vật lý: gắn xuyên lỗ bằng kim loại, gắn xuyên lỗ bằng nhựa, gắn bề mặt (SMD), mảng lưới bi (BGA), module công suất.
• Hệ số khuếch đại: hFE, βF (beta của transistor) hoặc gm (độ dẫn truyền – transconductance).

Tầm quan trọng của Transistor

• Như chúng ta đã biết, transistor được sử dụng để tạo nên các công tắc điện tử đơn giản và được xem là phần tử cơ bản trong các mạch tích hợp (IC). Khi chế tạo vi xử lý, hàng triệu transistor được tích hợp vào một mạch duy nhất.
• Transistor chủ yếu được dùng trong các ứng dụng công suất cao và tần số thấp, chẳng hạn như bộ đổi nguồn (adapter nguồn). Trong các hệ thống viễn thông hiện đại, transistor đóng vai trò như những mạch chuyển mạch phức tạp.
• Transistor là linh kiện bán dẫn được sử dụng trong các thiết bị điện tử hiện đại để khuếch đại hoặc chuyển mạch tín hiệu. Nó được coi là nền tảng cơ bản của công nghệ điện tử hiện nay, được chế tạo từ vật liệu bán dẫn.
• Transistor có ba chân cực, cho phép điều khiển điện áp và dòng điện giữa hai chân còn lại. Ngày nay, transistor xuất hiện phổ biến trong các hệ thống nhúng và vi mạch.

Thuật ghi nhớ

Một cách ghi nhớ thuận tiện để nhớ loại transistor (được biểu thị bằng ký hiệu điện) liên quan đến hướng của mũi tên. 

Đối với BJT:

• Trên ký hiệu transistor n–p–n, mũi tên sẽ “Không trỏ vào N”. 
• Trên ký hiệu transistor p–n–p, mũi tên sẽ “Trỏ vào N một cách tự hào”. 

Tuy nhiên, điều này không áp dụng cho các ký hiệu transistor dựa trên MOSFET vì mũi tên thường bị đảo ngược (tức là mũi tên cho transistor n–p–n hướng vào trong).

Transistor hiệu ứng trường (FET)

Transistor hiệu ứng trường, đôi khi được gọi là transistor đơn cực, sử dụng electron (trong FET kênh n) hoặc lỗ trống (trong FET kênh p) để dẫn điện. Bốn cực của FET được gọi là cực nguồn (source), cực cổng (gate), cực máng (drain) và cực thân (body). Trên hầu hết các FET, phần thân được kết nối với cực nguồn bên trong mạch, và điều này sẽ được giả định cho phần mô tả sau.

Transistor hiệu ứng trường kim loại-oxit-bán dẫn (MOSFET)

Transistor hiệu ứng trường kim loại-oxit-bán dẫn (MOSFET, MOS-FET, hoặc MOS FET), còn được gọi là transistor kim loại-oxit-silicon (MOS transistor, hoặc MOS), là một loại transistor hiệu ứng trường được chế tạo bằng cách oxy hóa có kiểm soát một chất bán dẫn, thường là silicon. 

Transistor này có một cực cổng cách điện, điện áp của cực này quyết định độ dẫn điện của linh kiện. Khả năng thay đổi độ dẫn điện theo điện áp đặt vào có thể được sử dụng để khuếch đại hoặc chuyển mạch tín hiệu điện tử. MOSFET cho đến nay là loại transistor phổ biến nhất và là thành phần cơ bản của hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại. MOSFET chiếm 99,9% tổng số transistor trên thế giới.

Transistor tiếp giáp lưỡng cực (BJT)

Transistor tiếp giáp lưỡng cực được đặt tên như vậy vì chúng dẫn điện bằng cách sử dụng cả hạt tải điện đa số và thiểu số. 

Transistor tiếp giáp lưỡng cực, loại transistor đầu tiên được sản xuất hàng loạt, là sự kết hợp của hai diode tiếp giáp và được tạo thành từ một lớp mỏng bán dẫn loại p kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại n (transistor n–p–n), hoặc một lớp mỏng bán dẫn loại n kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại p (transistor p–n–p). 

Cấu trúc này tạo ra hai tiếp giáp p–n: tiếp giáp base-emitter và tiếp giáp base-collector, được ngăn cách bởi một vùng bán dẫn mỏng gọi là vùng base. (Hai diode tiếp giáp được nối với nhau mà không có chung vùng bán dẫn ở giữa sẽ không tạo thành một transistor.)