Transistor là gì và nó được sử dụng để làm gì: các loại, lịch sử và công dụng

Thông tin số » Tài nguyên » Transistor là gì và được sử dụng để làm gì: các loại, lịch sử và ứng dụng

Nếu ngày nay bạn mang theo điện thoại di động trong túi, nghe nhạc trên hệ thống âm thanh nổi nhỏ gọn hoặc kết nối internet từ một chiếc máy tính siêu mỏng , đó là nhờ một phát minh nhỏ bé nhưng mạnh mẽ: bóng bán dẫn. Kể từ khi xuất hiện vào cuối những năm 40, thiết bị bán dẫn này đã thúc đẩy sự thu nhỏ và sức mạnh của các thiết bị điện tử hiện đại. Trong bài viết này, chúng ta sẽ giải thích chi tiết bóng bán dẫn là gì và được sử dụng để làm gì , cách thức hoạt động bên trong, các loại khác nhau hiện có, những thông số nào thực sự quan trọng và tại sao lịch sử của nó đánh dấu một bước ngoặt trong công nghệ.

Mặc dù định nghĩa cơ bản của nó có thể được tóm gọn trong một câu, phạm vi ứng dụng của transistor rất rộng lớn: transistor điều khiển hoặc thay đổi dòng điện giữa hai cực để đáp ứng tín hiệu được đưa vào cực thứ ba. Đó là lý do tại sao nó hoạt động như một bộ khuếch đại , công tắc , bộ dao động , hoặc thậm chí là bộ chỉnh lưu , trong các ứng dụng từ loa gia đình đến máy quét y tế. Chúng ta hãy cùng tìm hiểu từng bước một.

Transistor là gì?

Thuật ngữ transistor (transistor) bắt nguồn từ cụm từ tiếng Anh "transfer resistor " (điện trở chuyển mạch). Trên thực tế, nó là một linh kiện bán dẫn có ít nhất ba cực, cho phép dòng điện chạy qua giữa hai cực bất kỳ nhiều hay ít tùy thuộc vào điều xảy ra ở cực thứ ba. Khả năng kiểm soát dòng điện hoặc độ dẫn điện của kênh này cho phép nó khuếch đại các tín hiệu yếu hoặc hoạt động như một công tắc rất nhanh.

Ở dạng cổ điển, transistor lưỡng cực (BJT) có cực phát, cực gốc và cực thu . Một dòng điện nhỏ đi vào từ cực gốc điều khiển một dòng điện lớn hơn nhiều giữa cực phát và cực thu. Trong trường hợp transistor hiệu ứng trường (FET), sự điều khiển được thực hiện bằng cách đặt điện áp vào cực cổng, điều chỉnh độ dẫn của kênh giữa cực nguồn và cực máng với trở kháng đầu vào rất cao.

Chúng chủ yếu được sản xuất từ ​​silicon , mặc dù cũng có thể tìm thấy ở dạng germanium, gallium arsenide (GaAs) hoặc hợp kim silicon-germanium, được tích hợp rộng rãi trong các mạch tích hợp (vi mạch) hoặc đóng gói dưới dạng các linh kiện riêng lẻ. Vỏ bọc của chúng thường được niêm phong kín , với lớp vỏ bằng nhựa hoặc kim loại và ba chân cắm, và chúng là thành phần hoạt động cơ bản của hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại.

Một chút lịch sử cần thiết

Ý tưởng điều khiển dòng điện trong mạch bán dẫn đã có từ trước khi nó được hiện thực hóa trong công nghiệp. Năm 1925, Julius Edgar Lilienfeld đã đăng ký bằng sáng chế tại Canada và sau đó là tại Mỹ cho các thiết bị dự báo trước FET, nhưng vật liệu bán dẫn lúc đó thiếu chất lượng cần thiết cho ứng dụng thực tế. Năm 1934, Oskar Heil đã đăng ký bằng sáng chế cho một thiết bị tương tự ở châu Âu, và các thí nghiệm với tinh thể đã lan rộng. Tuy nhiên, mãi đến năm 1947, John Bardeen và Walter Brattain tại Phòng thí nghiệm Bell mới quan sát thấy sự khuếch đại tín hiệu với hai đầu vàng trên một tinh thể germanium.

Trong những tháng tiếp theo, William Shockley đã nghiên cứu sâu hơn về vật lý bán dẫn và đề xuất transistor lưỡng cực (bipolar junction transistor) , và đơn xin cấp bằng sáng chế đầu tiên được nộp vào năm 1948. Cùng năm đó, tại Pháp, Herbert Mataré và Heinrich Welker đã độc lập phát triển "transistron" cho mạng điện thoại. Không lâu sau, vào năm 1953, Philco đã giới thiệu transistor tần số cao đầu tiên (lên đến 60 MHz), và vào năm 1954, transistor silicon hoạt động đầu tiên đã được chế tạo thành công tại Bell Labs (Morris Tanenbaum), với mẫu thương mại đầu tiên được sản xuất tại Texas Instruments (Gordon Teal).

Bước đột phá lớn tiếp theo là MOSFET , được Dawon Kahng và Martin Atalla chế tạo vào năm 1960, đóng vai trò then chốt trong việc tích hợp hàng triệu bóng bán dẫn trên mỗi centimet vuông. Để ghi nhận cột mốc này, Shockley, Bardeen và Brattain đã nhận được giải Nobel Vật lý năm 1956 cho nghiên cứu và phát hiện về hiệu ứng bóng bán dẫn. Kể từ đó, ngành điện tử đã trải qua một sự bùng nổ trong lịch sử máy tính : từ radio cầm tay đến máy tính, và bao gồm cả viễn thông và y học.

Cấu trúc, tín hiệu và cách thức hoạt động của BJT

Một transistor lưỡng cực (BJT) bao gồm ba vùng pha tạp tạo ra hai mối nối PN : cực phát, cực gốc và cực thu. Chúng được cấu tạo dưới dạng NPN hoặc PNP (chữ cái ở giữa chỉ loại cực gốc), và nồng độ pha tạp của mỗi vùng được kiểm soát cẩn thận: thông thường, cực phát được pha tạp nhiều hơn cực thu. Trong hoạt động, dòng điện cực thu tỷ lệ thuận với dòng điện cực gốc, được xác định bởi tham số beta (β) , hay hệ số khuếch đại dòng điện.

Giữa cực gốc và cực phát, nó hoạt động như một điốt phân cực thuận , với điện áp V _{_BE} điển hình là 0,6–0,8 V ở silicon và ~0,4 V ở germanium. Điốt này biến cực gốc thành mạch điều khiển mở hoặc đóng dòng điện tích từ cực phát đến cực thu. Về mặt khái niệm, cực gốc điều chỉnh một "điểm lấy mẫu" electron hoặc lỗ trống, sao cho một dòng điện điều khiển nhỏ sẽ điều chỉnh một dòng điện lớn hơn ở đầu ra.

Chế độ hoạt động: chủ động, ngắt và bão hòa

Transistor có thể hoạt động như một bộ khuếch đại tuyến tính trong vùng hoạt động , nơi nó cho phép dòng điện chảy tỷ lệ thuận với kích thích cực gốc. Nếu cực gốc không nhận được đủ kích thích, thiết bị sẽ ngắt và không dẫn điện. Nếu kích thích cao, nó sẽ bão hòa và cho phép dòng điện tối đa mà mạch cho phép. Tính linh hoạt này làm cho nó phù hợp để sử dụng như một công tắc nhanh hoặc bộ khuếch đại tín hiệu yếu.

Tóm tắt về NPN và PNP

Trong transistor NPN, các electron thường chảy từ cực góp đến cực phát , và thiết bị được kích hoạt bằng cách tăng dòng điện cực gốc với điện áp tham chiếu dương; trong transistor PNP, chiều chảy thực tế bị đảo ngược (từ cực phát đến cực góp), và mạch phân cực là mạch bổ sung, cho phép cấu hình đối xứng trong nhiều tầng mạch tương tự hoặc mạch chuyển mạch.

Các loại bóng bán dẫn bạn sẽ gặp

Hệ thống này khá đa dạng, nhưng tất cả đều chia sẻ nguyên tắc cơ bản là kiểm soát dòng điện. Dưới đây là những loại phổ biến nhất , cùng với một số ví dụ lịch sử đáng chú ý:

• Liên hệ kịp thờiChiếc Pioneer (1947), với hai đầu kim loại germani. Khó chế tạo, dễ vỡ và ồn ào, nhưng nó đã chứng minh được lợi ích lần đầu tiên. Ngày nay, nó là một hiện vật bảo tàng.
• Transistor tiếp giáp lưỡng cực (BJT)Transistor NPN/PNP cổ điển trên một tinh thể bán dẫn đơn, được pha tạp với tạp chất cho (asen, phốt pho) hoặc tạp chất nhận (nhôm, indi, gali). Nó là một thiết bị điều khiển dòng điện.
• Transistor hiệu ứng trường (FET): JFET (cổng nối PN), IGFET và MOSFE (cửa cách nhiệt bằng gỉ sét). Chúng là điều khiển điện áp, với trở kháng đầu vào rất cao; nền tảng của tích hợp quy mô lớn.
• Transistor quang điện: nhạy sáng, trong đó ánh sáng đóng vai trò là dòng điện cơ bản; hoàn hảo cho phát hiện từ xa bằng bức xạ điện từ.
• IGBT: cổng lưỡng cực cách điện, được sử dụng rộng rãi trong quyền lực bằng cách kết hợp ưu điểm của BJT và MOSFET.
• Cặp đôi DarlingtonHai BJT xếp tầng trong cùng một gói làm tăng đáng kể lợi nhuận toàn cầu.

Các thông số và vật liệu tạo nên sự khác biệt

Khi lựa chọn transistor, loại transistor không phải là yếu tố quan trọng duy nhất; các thông số điện của nó cũng rất quan trọng : điện áp đánh thủng (cực thu-cực phát, cực gốc-cực phát, cực thu-cực gốc), công suất tối đa, khả năng tản nhiệt, tần số hoạt động , β (điện áp biến đổi-cực phát β), và điện trở động bên trong. Trong các transistor lưỡng cực tín hiệu nhỏ, β thường nằm trong khoảng từ 100 đến 300. Điện áp _{biến đổi-cực phát (} VBE) giảm theo nhiệt độ với tốc độ xấp xỉ -2,1 mV/°C trong silicon, vì vậy một số thiết kế tích hợp các cảm biến nhiệt hoặc cơ chế bù nhiệt.

Vật liệu cũng rất quan trọng: germani có độ linh động cao hơn silicon, nhưng độ rò rỉ và nhiệt độ cho phép lại kém hơn; silicon chiếm ưu thế nhờ độ bền và dễ chế tạo; GaAs nổi bật ở tần số cao nhờ độ linh động điện tử. Các thiết bị như HEMT , với độ nhiễu cực thấp và tốc độ cao, được chế tạo trên GaAs/AlGaAs và được sử dụng trong các bộ thu vệ tinh ở tần số khoảng 12 GHz và, với các vật liệu nitrit, trong các ứng dụng điện năng thế hệ tiếp theo.

Một cách hữu ích khác để hình dung BJT là mô hình Ebers-Moll : hai điốt, một điốt phân cực thuận kiểu base-emitter và điốt còn lại phân cực nghịch kiểu base-collector. Điều này giúp hiểu tại sao điện áp VBE điển hình (0,6-0,8 V Si) xuất hiện _và cách nó hoạt động bên ngoài vùng tuyến tính. Trong JFET và MOSFET, điện áp cổng là yếu tố chi phối: việc làm cho điện áp cổng âm hơn trong JFET-GS sẽ làm tắc nghẽn kênh; trong MOSFET, lý tưởng là cổng không tiêu thụ dòng điện DC, và tín hiệu điều khiển độ dẫn kênh giữa cực nguồn và cực máng.

Cấu hình bộ khuếch đại được sử dụng phổ biến nhất

Với transistor lưỡng cực (BJT), người ta thường nghĩ đến ba cấu trúc mạch kinh điển. Mỗi cấu trúc tối ưu hóa một đặc tính khác nhau (điện áp, dòng điện hoặc trở kháng), đó là lý do tại sao chúng vẫn được tìm thấy trong tất cả các sách và dự án.

• bộ phát chungĐộ lợi điện áp và dòng điện, với sự đảo pha; đây là thiết bị chủ lực. Điện trở phát xạ ổn định Và nếu được nối với tụ điện, nó sẽ phục hồi được mức khuếch đại AC.
• Nhà sưu tập chung (bộ theo dõi phát xạ): độ lợi điện áp gần bằng 1, trở kháng đầu vào cao và công suất đầu ra thấp; lý tưởng để làm bộ chuyển đổi trở kháng.
• Cơ sở chung: độ lợi dòng điện, không có đảo pha và trở kháng đầu vào rất thấpNó hoạt động tốt với các nguồn tín hiệu trở kháng thấp, chẳng hạn như micro động trong một số thiết lập nhất định.

Một ví dụ thực tế (bộ phát chung phân cực với bộ chia)

Hãy tưởng tượng bạn thiết kế một sân khấu với V_CC=20 V, tôi_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V và β=100. Nếu bạn đặt điện áp phát xạ khoảng 1/10 V_CC (2 V), bạn nhận được R_E≈200 ΩSự sụt giảm trong R_C sẽ là V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, với I_C=10 mA, sau đó R_C=1 kΩCơ sở vẫn ở V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Nếu bạn định cỡ bộ chia với dòng điện gấp khoảng mười lần dòng điện cơ sở, bạn sẽ nhận được R₂≤ 2 kΩ và, theo tỷ lệ với V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Đối với tín hiệu nhỏ, điện trở động của cực phát bên trong (r _{_e}) ở dòng điện 10 mA là ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, cho hệ số khuếch đại điện áp lý tưởng xấp xỉ A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Với tải 5 kΩ trên cực góp, trở kháng đầu ra hiệu dụng là khoảng 830 Ω và hệ số khuếch đại giảm xuống ≈ −319. Trở kháng nhìn thấy ở cực gốc là r _{_e} · β ≈ 260 Ω, và tổng trở kháng đầu vào, khi xét đến mạch chia và cực gốc mắc song song, là ≈ 226 Ω. Các tụ điện ghép nối và tụ điện cực phát được chọn sao cho điện kháng của chúng không đáng kể trong dải tần hoạt động.

Ví dụ này tóm tắt khái niệm về đường tải và điểm Q : bạn chọn một điểm tĩnh (thường là VCE _≈VCC / 2 nếu không có RE ₎ cho phép tín hiệu dao động đối xứng. Từ đó, bạn điều chỉnh độ khuếch đại, trở kháng và độ ổn định theo ứng dụng_.

FET và MOSFET: điều khiển điện áp

Trong FET, không có dòng điện cơ sở riêng biệt, mà thay vào đó là điện áp cổng điều khiển độ rộng kênh. JFET cơ bản bao gồm một thanh vật liệu loại N hoặc loại P, với các tiếp điểm ohmic ở hai đầu (cực thoát và cực nguồn) và hai vùng khuếch tán tạo thành cổng. Khi điện áp cổng trở nên âm hơn (trong JFET loại N), kênh sẽ thu hẹp và sự dẫn điện ngừng lại.

Ngược lại, MOSFET cách ly cực cổng bằng chất điện môi oxit và đạt được trở kháng đầu vào cực lớn. Điều này, kết hợp với quy trình sản xuất tương thích với việc tích hợp, giải thích tại sao nó là " vua" của chip hiện đại và tại sao nó thúc đẩy sự phát triển của nhiều thế hệ bộ xử lý : nó cho phép tích hợp hàng trăm nghìn đến hàng tỷ bóng bán dẫn được kết nối với nhau trên mỗi centimet vuông trong nhiều lớp.

Ứng dụng thực tế: từ cuộc sống hàng ngày đến công nghiệp

Liệt kê hết tất cả là điều không thể, nhưng đáng nhớ những vai trò tiêu biểu nhất. Là bộ khuếch đại , transistor tăng cường tín hiệu trong radio, tivi và thiết bị âm thanh. Là công tắc , chúng điều khiển nguồn điện chuyển mạch, bộ điều khiển động cơ và hệ thống chiếu sáng. Trong bộ dao động , chúng tạo ra tín hiệu tần số vô tuyến cho thông tin liên lạc. Và tất nhiên, chúng là khối cấu tạo cơ bản của mạch tích hợp trong máy tính, điện thoại thông minh và tất cả các loại thiết bị kỹ thuật số.

Trong lĩnh vực chuyên môn, vai trò của chúng rất quan trọng trong viễn thông , điện tử y tế, tự động hóa công nghiệp và robot. Khả năng tạo ra các mạch điện nhỏ hơn, hiệu quả hơn đã làm thay đổi thiết kế và sản xuất sản phẩm, dẫn đến các thiết bị di động hơn, mạnh mẽ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Ưu điểm so với van thermidion (và lý do tại sao chúng đôi khi vẫn được sử dụng)

Trước khi có transistor, đèn chân không thống trị thị trường. Tuy nhiên, chúng đòi hỏi điện áp cao nguy hiểm , tiêu thụ nhiều năng lượng, cồng kềnh và nặng (khung máy và biến áp), dễ bị hỏng do quá nhiệt và mất nhiều thời gian để đạt đến nhiệt độ hoạt động do sự nóng lên của dây tóc. Hơn nữa, chúng còn bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng microphonic và hoạt động ở trở kháng cao . Transistor mang lại hiệu quả ngay từ đầu với mức tiêu thụ điện năng thấp, điện áp thấp, kích thước nhỏ gọn, độ bền cao và chi phí thấp hơn.

Một sự kiện lịch sử minh họa sự khác biệt: ENIAC, một trong những máy tính kỹ thuật số đầu tiên, nặng hơn 30 tấn và tiêu thụ khoảng 200 kW để vận hành khoảng 18.000 bóng chân không, với tình trạng hỏng hóc hàng ngày. Mặc dù vậy, bóng chân không vẫn tồn tại trong những lĩnh vực chuyên biệt: một số bộ khuếch đại radio hoặc âm thanh công suất cao (nhờ độ tuyến tính cao và đặc tính sóng hài của chúng), thiết bị chống xung điện từ và các ứng dụng công suất cực cao. Theo thời gian, điện tử bán dẫn cũng đã chinh phục được nhiều lĩnh vực này.

Đặc điểm và chi tiết xây dựng

Theo nguyên tắc chung, transistor rời rạc là một thiết bị bán dẫn kín có ba cực nhìn thấy được. Nó có thể được cấu hình theo từng tầng để hoạt động như một bộ khuếch đại, công tắc, bộ dao động hoặc bộ chỉnh lưu . Silicon được ưa chuộng trong nhiều thiết kế do đặc tính tản nhiệt và chống rò rỉ của nó, nhưng cũng có các dòng transistor germanium và transistor hỗn hợp cho các nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn như ứng dụng vi sóng hoặc tốc độ rất cao.

Trong các transistor lưỡng cực (BJT), khi nhiệt độ tăng, điện áp tiếp giáp thuận giảm và dòng rò có thể tăng lên, do đó việc tản nhiệt và lựa chọn công suất định mức tối đa là rất quan trọng. Trong các transistor hiệu ứng trường công suất (power FET), quá trình sản xuất có thể tạo ra các diode ký sinh (như diode Schottky giữa cực nguồn và cực thoát), đây là điều cần xem xét trong thiết kế mạch.

So sánh nhanh các vật liệu

Nếu bạn thắc mắc tại sao một số vật liệu lại nhanh hơn những vật liệu khác, hãy xem xét độ linh động của electron và lỗ trống . Ge có độ linh động cao nhưng nhiệt độ tối đa thấp hơn, rò rỉ lớn hơn và khả năng chịu điện áp cao kém hơn ; Si mang lại sự cân bằng tuyệt vời và nhiệt độ mối nối điển hình là 150-200 °C; GaAs nâng tầm ở tần số cao, mặc dù quá trình chế tạo đòi hỏi khắt khe hơn. Đó là lý do tại sao mỗi loại đều thống trị trong phân khúc tương ứng của nó.

Sử dụng kỹ thuật số: từ sự chuyển đổi hoàn hảo sang logic

Trong chuyển mạch kỹ thuật số, transistor hoạt động bằng cách chuyển đổi giữa trạng thái ngắt và trạng thái bão hòa , trong đó lý tưởng nhất là nó hoạt động như một mạch hở hoặc mạch kín. Tốc độ chuyển mạch và mức tiêu thụ điện năng thấp này giúp cho các cổng logic và hệ nhị phân trở nên khả thi , và khi ghép nối tiếp, tạo ra CPU và bộ nhớ. Với MOSFET và công nghệ CMOS, mức tiêu thụ điện năng tĩnh cực kỳ thấp vì cổng không dẫn điện ở dòng điện một chiều và dòng điện chỉ được tiêu thụ trong quá trình chuyển đổi.

Lợi ích thực tế trong lắp đặt và thiết bị

Đối với sử dụng hàng ngày, bóng bán dẫn có kích thước nhỏ gọn (giúp thiết bị dễ vận chuyển và tích hợp), tuổi thọ cao (ít cần bảo trì), tốc độ nhanh (quan trọng trong bộ xử lý và truyền thông), chi phí thấp (giảm chi phí hệ thống) và hiệu quả năng lượng (tổn thất tối thiểu). Trong gia đình, mỗi chi tiết nhỏ đều có ích: từ nguồn điện ổn định, được điều chỉnh đến tự động hóa và tiết kiệm năng lượng.

Những câu hỏi thường gặp cần được giải đáp

Transistor chỉ được dùng để khuếch đại tín hiệu thôi sao? Không. Nó còn là một công tắc siêu êm và siêu nhanh , một khối cấu tạo của mạch logic, một bộ dò ánh sáng (phototransistor), hoặc một phần của mạch dao động . Tính đa năng chính là ưu điểm lớn nhất của nó.

Ngày nay, công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong những ngành nào? Hầu như tất cả các ngành: viễn thông và mạng lưới , thiết bị y tế, ô tô, năng lượng, sản xuất và điện tử tiêu dùng. Sự kết hợp giữa sức mạnh, thu nhỏ và khả năng điều khiển đã nhân lên tầm ảnh hưởng của nó.

Tại sao một số người lại nói về "bật/tắt"? Đó là cách nói thông tục để chỉ trạng thái bị ngắt (tắt) và trạng thái dẫn điện (hoạt động hoặc bão hòa). Trên thực tế, đây là những vị trí logic cho phép dòng điện được bật hoặc tắt .

Hơn bảy mươi năm sau khi ra đời, transistor vẫn là trái tim của ngành điện tử: từ điểm tiếp xúc đầu tiên trên germanium đến thế hệ MOSFET mới nhất, đã có hàng ngàn cột mốc quan trọng, nhưng ý tưởng cốt lõi vẫn không thay đổi: kiểm soát chính xác dòng điện để tạo ra tín hiệu mạnh hơn, sạch hơn hoặc mạch logic đáng tin cậy trong không gian ngày càng nhỏ hơn.