Transistor là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử
1. Transistor là gì?
2. Ký hiệu Transistor trên các sơ đồ mạch
3. Cấu tạo của Transistor
4. Nguyên lý hoạt động Transistor
5. Phân loại Transistor
6. Cách mắc Transistor
7. Cách xác định chân E, B, C của Transistor
1. Transistor là gì?
Transistor là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử.
Tên gọi Transistor này là kết hợp của hai từ tiếng Anh “Transfer” (chuyển đổi) và “Resistor” (cản trở) và được đặt tên bởi nhà khoa học John R. Pierce vào năm 1948. Tên gọi này đã thể hiện rõ chức năng của linh kiện này khi nó khuếch đại bằng cách chuyển đổi điện trở.
Hiểu một cách đơn giản thì Transistor hoạt động giống như là công tắc mà chúng ta vãn thường sử dụng, nhưng có một số điểm đặc biệt như:
- Nó được đóng ngắt bằng dòng điện, thay vi bằng tay như công tắc.
- Thời gian đóng ngắn rất nhanh
- Thiết kế cực kỳ nhỏ gọn.
- Có thể khuếch đại các dòng điện đi qua.
2. Ký hiệu Transistor trên các sơ đồ mạch
3. Cấu tạo của Transistor
4. Nguyên lý hoạt động Transistor
5. Phân loại Transistor
6. Cách mắc Transistor
7. Cách xác định chân E, B, C của Transistor
1. Transistor là gì?
Transistor là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử.
Tên gọi Transistor này là kết hợp của hai từ tiếng Anh “Transfer” (chuyển đổi) và “Resistor” (cản trở) và được đặt tên bởi nhà khoa học John R. Pierce vào năm 1948. Tên gọi này đã thể hiện rõ chức năng của linh kiện này khi nó khuếch đại bằng cách chuyển đổi điện trở.
Hiểu một cách đơn giản thì Transistor hoạt động giống như là công tắc mà chúng ta vãn thường sử dụng, nhưng có một số điểm đặc biệt như:
- Nó được đóng ngắt bằng dòng điện, thay vi bằng tay như công tắc.
- Thời gian đóng ngắn rất nhanh
- Thiết kế cực kỳ nhỏ gọn.
- Có thể khuếch đại các dòng điện đi qua.
2. Ký hiệu Transistor trên các sơ đồ mạch
Như đã đề cập ở trên, transistor có hai cách thức ghép tạo thành: transistor thuận PNP và transistor ngược NPN:
Mũi tên trong ký hiệu biểu thị hướng của dòng điện từ cực phát tới chỗ nối của cực gốc và cực phát. Sự khác nhau duy nhất giữa transistor NPN và transistor PNP chính là chiều của dòng điện.
Như đã đề cập ở trên, transistor có hai cách thức ghép tạo thành: transistor thuận PNP và transistor ngược NPN:
Mũi tên trong ký hiệu biểu thị hướng của dòng điện từ cực phát tới chỗ nối của cực gốc và cực phát. Sự khác nhau duy nhất giữa transistor NPN và transistor PNP chính là chiều của dòng điện.
• Ký hiệu trên thân transistor tại một số quốc gia
- Tại Nhật Bản: Transistor thường được ký hiệu là A..., B..., C..., D... Ví dụ như A564, B733, C828, D1555. Các transistor có ký hiệu là A và B là transistor thuận PNP, transistor ký hiệu là C và D là các transistor ngược NPN. Các transistor A và C thường có công suất nhỏ, tần số làm việc cao còn các transistor B và D thường có công suất lớn, tần số làm việc thấp.
- Tại Mỹ: Ký hiệu của transistor tại Mỹ là 2N... Ví dụ như 2N3055, 2N4073...
- Tại Trung Quốc: Các transistor thường bắt đầu bằng số 3, tiếp theo là hai chữ cái, ví dụ như 3CP25 , 3AP20 ,…..Chữ cái đầu tiên cho biết loại bóng, cụ thể là chữ A và B là bóng thuận, C và D là bóng ngược. Chữ cái tiếp theo cho biết đặc điểm, cụ thể là X và P là bóng âm tần, A và G là bóng cao tần. Các chữ số ở sau cho biết thứ tự sản phẩm.
3. Cấu tạo của Transistor
Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau, hình thành hai tiếp giáp P – N nằm ngược chiều nhau, vì thế có thể nói transistor giống như hai diode nối ngược chiều nhau.
Chúng chia thành 2 loại:
- NPN: Nếu hai diode có chung nhau vùng bán dẫn loại P, thì ta có transistor loại NPN, gọi là transistor loại nghịch
- PNP: Nếu hai diode có chung nhau vùng bán dẫn loại N thì ta có transistor loại thuận.
- Tại Nhật Bản: Transistor thường được ký hiệu là A..., B..., C..., D... Ví dụ như A564, B733, C828, D1555. Các transistor có ký hiệu là A và B là transistor thuận PNP, transistor ký hiệu là C và D là các transistor ngược NPN. Các transistor A và C thường có công suất nhỏ, tần số làm việc cao còn các transistor B và D thường có công suất lớn, tần số làm việc thấp.
- Tại Mỹ: Ký hiệu của transistor tại Mỹ là 2N... Ví dụ như 2N3055, 2N4073...
- Tại Trung Quốc: Các transistor thường bắt đầu bằng số 3, tiếp theo là hai chữ cái, ví dụ như 3CP25 , 3AP20 ,…..Chữ cái đầu tiên cho biết loại bóng, cụ thể là chữ A và B là bóng thuận, C và D là bóng ngược. Chữ cái tiếp theo cho biết đặc điểm, cụ thể là X và P là bóng âm tần, A và G là bóng cao tần. Các chữ số ở sau cho biết thứ tự sản phẩm.
3. Cấu tạo của Transistor
Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau, hình thành hai tiếp giáp P – N nằm ngược chiều nhau, vì thế có thể nói transistor giống như hai diode nối ngược chiều nhau.
Chúng chia thành 2 loại:
- NPN: Nếu hai diode có chung nhau vùng bán dẫn loại P, thì ta có transistor loại NPN, gọi là transistor loại nghịch
- PNP: Nếu hai diode có chung nhau vùng bán dẫn loại N thì ta có transistor loại thuận.
Ba vùng bán dẫn được nối ra ba chân gọi là ba cực:
• Cực gốc Base: Phần giữa của transistor là cực gốc, nhẹ và mỏng về kích thước, có nồng độ tạp chất rất ít. Do vậy mà có ít hạng mang điện. Cực gốc tạo thành 2 mạch, mạch đầu vào với cực phát và mạch đầu ra với cực thu. Trong đó mạch đầu vào có trở kháng thấp, còn mạch đầu ra có trở kháng cao.
• Cực phát Emitter: Đây là một vùng rộng và nồng độ tạp chất cao, do vậy là phần cung cấp một lượng lớn điện tích. Cực phát sẽ được nối với cực gốc vì nó cung cấp các phần tử mang điện tích đến cực gốc. Đoạn nối giữa cực phát và cực gốc sẽ cung cấp một lượng lớn các phần tử mang điện tích vào cực gốc.
• Cực thu Collector: Là phần thu lượng lớn các phần tử mang điện cung cấp bởi cực phát. Cực thu có kích thước lớn hơn các cực còn lại để có thể thu được các phần tử mang điện từ cực phát.
Vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được.
4. Nguyên lý hoạt động Transistor
Có 2 bước để làm 1 transistor hoạt động đó là:
- Phân cực cho chân CE
- Phân cực cho chân BE
Xét transistor loại NPN (Transisor nghịch).
Nếu ta nối hai cực E và C của transistor loại NPN với một nguồn điện một chiều Ecc có cực âm nối với chân E và cực dương nối với chân C, chân B của transisor để hở mạch thì các electron là hạt tải điện đa số của vùng cực E không thể di chuyển qua vùng bán dẫn cực B nên không có dòng điện chạy trong transistor.
Tuy nhiên do chuyển động nhiệt nên có một số rất ít điện tử vượt qua lớp tiếp giáp gốc – góp, tao ra một dòng điện rất nhỏ gọi là dòng điện rò (rỉ) hay dòng góp ngược.
• Cực gốc Base: Phần giữa của transistor là cực gốc, nhẹ và mỏng về kích thước, có nồng độ tạp chất rất ít. Do vậy mà có ít hạng mang điện. Cực gốc tạo thành 2 mạch, mạch đầu vào với cực phát và mạch đầu ra với cực thu. Trong đó mạch đầu vào có trở kháng thấp, còn mạch đầu ra có trở kháng cao.
• Cực phát Emitter: Đây là một vùng rộng và nồng độ tạp chất cao, do vậy là phần cung cấp một lượng lớn điện tích. Cực phát sẽ được nối với cực gốc vì nó cung cấp các phần tử mang điện tích đến cực gốc. Đoạn nối giữa cực phát và cực gốc sẽ cung cấp một lượng lớn các phần tử mang điện tích vào cực gốc.
• Cực thu Collector: Là phần thu lượng lớn các phần tử mang điện cung cấp bởi cực phát. Cực thu có kích thước lớn hơn các cực còn lại để có thể thu được các phần tử mang điện từ cực phát.
Vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được.
4. Nguyên lý hoạt động Transistor
Có 2 bước để làm 1 transistor hoạt động đó là:
- Phân cực cho chân CE
- Phân cực cho chân BE
Xét transistor loại NPN (Transisor nghịch).
Nếu ta nối hai cực E và C của transistor loại NPN với một nguồn điện một chiều Ecc có cực âm nối với chân E và cực dương nối với chân C, chân B của transisor để hở mạch thì các electron là hạt tải điện đa số của vùng cực E không thể di chuyển qua vùng bán dẫn cực B nên không có dòng điện chạy trong transistor.
Tuy nhiên do chuyển động nhiệt nên có một số rất ít điện tử vượt qua lớp tiếp giáp gốc – góp, tao ra một dòng điện rất nhỏ gọi là dòng điện rò (rỉ) hay dòng góp ngược.
Bây giờ ta nối thêm một nguồn điện một chiều Ebb giữa chân E và chân B với cực âm nói với chân E và cực dương nối vào chân B
Khi đó, diode BE phân cực thuận nên các electron từ vùng phát E dễ dàng đi qua vùng gốc B. Còn diode BC phân cực nghịch nên các electron từ vùng C không thể đi qua vùng gốc B.
Do nồng độ tạp chất vùng B thấp và kích thước vùng B rất mỏng nên số lượng lỗ trống ở vùng B rất ít. Nhưng số lượng các electron từ vùng E chuyển động sang vùng B rất lớn. Do đó chỉ có một số rất ít tái hợp với lỗ trống trong vùng B để tạo ra dòng điện Ib, còn cực góp C do có điện áp lớn hơn nên hút phần lớn điện tử trong vùng bán dẫn cực B sang vùng bán dẫn cực C tạo thành dòng Ic.
Mô tả một cách dễ hiểu đó là, dòng Ib có tác dụng mở lớp tiếp giáp BE và mồi electron từ cực E đâm xuyên qua lớp tiếp giáp BC. Khi xuyên được lớp đó chúng tạo ra 1 dòng đi từ cực E sang cực C.
Dễ dàng nhận thấy: Ie = Ec +Ib
Với transistor loại PNP (Transistor thuận), hoạt động tương tự NPN nhưng chúng ta phân cực ngược lại.
Khi đó, diode BE phân cực thuận nên các electron từ vùng phát E dễ dàng đi qua vùng gốc B. Còn diode BC phân cực nghịch nên các electron từ vùng C không thể đi qua vùng gốc B.
Do nồng độ tạp chất vùng B thấp và kích thước vùng B rất mỏng nên số lượng lỗ trống ở vùng B rất ít. Nhưng số lượng các electron từ vùng E chuyển động sang vùng B rất lớn. Do đó chỉ có một số rất ít tái hợp với lỗ trống trong vùng B để tạo ra dòng điện Ib, còn cực góp C do có điện áp lớn hơn nên hút phần lớn điện tử trong vùng bán dẫn cực B sang vùng bán dẫn cực C tạo thành dòng Ic.
Mô tả một cách dễ hiểu đó là, dòng Ib có tác dụng mở lớp tiếp giáp BE và mồi electron từ cực E đâm xuyên qua lớp tiếp giáp BC. Khi xuyên được lớp đó chúng tạo ra 1 dòng đi từ cực E sang cực C.
Dễ dàng nhận thấy: Ie = Ec +Ib
Với transistor loại PNP (Transistor thuận), hoạt động tương tự NPN nhưng chúng ta phân cực ngược lại.
5. Phân loại Transistor
• Transistor loại NPN
NPN là một linh kiện điện tử cấu tạo từ nối ghép của một bán dẫn mang điện dương giữa hai bán dẫn mang điện âm. Trong đó N – Negative là cực âm, còn P – positive là cực dương. Đây là loại linh kiện chủ yếu được dùng để khuếch đại, điện dẫn hoặc công tắc trong công nghiệp điện tử, làm cổng số trong điện tử số.
Với transistor loại NPN, cần phải có một điện thế kích hoạt thì transistor mới có thể hoạt động hay dẫn điện được.
• Transistor loại PNP
Các transistor PNP là loại linh kiện điện tử lưỡng cực được cấu thành từ 2 chất bán điện dẫn. Đó là lớp bán dẫn được pha tạp loại N, đóng vai trò là cực gốc nằm giữa hai lớp bán dẫn được pha tạp loại P. Loại này được kích hoạt khi cực phát nối đất và cực góp nối với nguồn năng lượng.
Cả transistor NPN và PNP đều có 3 chân E (cực phát ), B (Base – cực nền) và C (Collector – cực thu). Ngoài ra còn có một số loại transistor khác như: Transistor lưỡng cực (BJT – Bipolar junction tranzito), tranzito hiệu ứng trường (Field-effect tranzito), transistor mối đơn cực UJT (Unijunction transistor),…
• Transistor loại NPN
NPN là một linh kiện điện tử cấu tạo từ nối ghép của một bán dẫn mang điện dương giữa hai bán dẫn mang điện âm. Trong đó N – Negative là cực âm, còn P – positive là cực dương. Đây là loại linh kiện chủ yếu được dùng để khuếch đại, điện dẫn hoặc công tắc trong công nghiệp điện tử, làm cổng số trong điện tử số.
Với transistor loại NPN, cần phải có một điện thế kích hoạt thì transistor mới có thể hoạt động hay dẫn điện được.
• Transistor loại PNP
Các transistor PNP là loại linh kiện điện tử lưỡng cực được cấu thành từ 2 chất bán điện dẫn. Đó là lớp bán dẫn được pha tạp loại N, đóng vai trò là cực gốc nằm giữa hai lớp bán dẫn được pha tạp loại P. Loại này được kích hoạt khi cực phát nối đất và cực góp nối với nguồn năng lượng.
Cả transistor NPN và PNP đều có 3 chân E (cực phát ), B (Base – cực nền) và C (Collector – cực thu). Ngoài ra còn có một số loại transistor khác như: Transistor lưỡng cực (BJT – Bipolar junction tranzito), tranzito hiệu ứng trường (Field-effect tranzito), transistor mối đơn cực UJT (Unijunction transistor),…
6. Cách mắc Transistor
Transistor hoạt động ở 2 trạng thái:
• Trạng thái khuếch đại: Với trạng thái này, chúng ta cần tính toán hệ số khuếch đại và chọn kiểu mắc phù hợp, kiểu này thường được sử dụng trong các mạch audio, amply…
• Trạng thái bão hòa: Với trạng thái này, chúng ta ko cần quan tâm hệ số khuếch đại của transistor, nó hoạt động như một công tắc on/off mà thôi
Cách mắc Transistor chế độ bão hòa – Đóng/Ngắt tải
Transistor hoạt động ở 2 trạng thái:
• Trạng thái khuếch đại: Với trạng thái này, chúng ta cần tính toán hệ số khuếch đại và chọn kiểu mắc phù hợp, kiểu này thường được sử dụng trong các mạch audio, amply…
• Trạng thái bão hòa: Với trạng thái này, chúng ta ko cần quan tâm hệ số khuếch đại của transistor, nó hoạt động như một công tắc on/off mà thôi
Cách mắc Transistor chế độ bão hòa – Đóng/Ngắt tải
Cách mắc này thường thấy trong các mạch số, mạch vi điều khiển. Transistor sẽ có nhiệm vụ như 1 công tắc điều khiển bằng điện (trạng thái 0 1).
Để dùng cách này chúng ta phân cực cho Vbe điện áp > 0.6V (thường là 3.3V hoặc 5V) lúc này transistor sẽ chạy ở chế độ bão hòa.
Cách mắc Transistor chế độ khuếch đại
• Transistor mắc theo kiểu E chung (mạch khuếch đại điện áp)
Kiểu mắc này được ứng dụng nhiều nhất vào các mạch điện tử
Đặc điểm tranzito mắc kiểu E chung:
- 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
Để dùng cách này chúng ta phân cực cho Vbe điện áp > 0.6V (thường là 3.3V hoặc 5V) lúc này transistor sẽ chạy ở chế độ bão hòa.
Cách mắc Transistor chế độ khuếch đại
• Transistor mắc theo kiểu E chung (mạch khuếch đại điện áp)
Kiểu mắc này được ứng dụng nhiều nhất vào các mạch điện tử
Đặc điểm tranzito mắc kiểu E chung:
- 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
• Transistor mắc theo kiểu C chung (Mạch khuếch đại dòng điện)
Mạch trên được ứng dụng nhiều trong các mạch khuyếch đại đêm (Damper), trước khi chia tín hiệu làm nhiều nhánh, người ta thường dùng mạch Damper để khuyếch đại cho tín hiệu khoẻ hơn. Ngoài ra mạch còn được ứng dụng rất nhiều trong các mạch ổn áp nguồn.
Đặc điểm tranzito mắc kiểu 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
- Tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào
- Cường độ của tín hiệu ra mạnh hơn cường độ của tín hiệu vào nhiều lần
Mạch trên được ứng dụng nhiều trong các mạch khuyếch đại đêm (Damper), trước khi chia tín hiệu làm nhiều nhánh, người ta thường dùng mạch Damper để khuyếch đại cho tín hiệu khoẻ hơn. Ngoài ra mạch còn được ứng dụng rất nhiều trong các mạch ổn áp nguồn.
Đặc điểm tranzito mắc kiểu 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
- Tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào
- Cường độ của tín hiệu ra mạnh hơn cường độ của tín hiệu vào nhiều lần
• Transistor mắc theo kiểu B chung
Mach mắc kiểu B chung rất ít khi được sử dụng trong thực tế.
Đặc điểm tranzito mắc kiểu 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.
Khuyếch đại về điện áp và không khuyếch đại về dòng điện
Mach mắc kiểu B chung rất ít khi được sử dụng trong thực tế.
Đặc điểm tranzito mắc kiểu 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.
Khuyếch đại về điện áp và không khuyếch đại về dòng điện
7. Cách xác định chân E, B, C của Transistor
• Với các loại Transistor công xuất nhỏ: thì thứ tự chân C và B tuỳ theo bóng của nước nào sản xuất , nhựng chân E luôn ở bên trái nếu ta để Transistor như hình dưới (hình 1.4.5c)
- Nếu là Transistor do Nhật sản xuất : thí dụ Transistor C828, A564 thì chân C ở giữa , chân B ở bên phải.
- Nếu là Transistor Trung quốc sản xuất thì chân B ở giữa , chân C ở bên phải.
• Với loại Transistor công xuất lớn (hình 1.4.5c) thì hầu hết đều có chung thứ tự chân là : Bên trái là cực B, ở giữa là cực C và bên phải là cực E.
• Với các loại Transistor công xuất nhỏ: thì thứ tự chân C và B tuỳ theo bóng của nước nào sản xuất , nhựng chân E luôn ở bên trái nếu ta để Transistor như hình dưới (hình 1.4.5c)
- Nếu là Transistor do Nhật sản xuất : thí dụ Transistor C828, A564 thì chân C ở giữa , chân B ở bên phải.
- Nếu là Transistor Trung quốc sản xuất thì chân B ở giữa , chân C ở bên phải.
• Với loại Transistor công xuất lớn (hình 1.4.5c) thì hầu hết đều có chung thứ tự chân là : Bên trái là cực B, ở giữa là cực C và bên phải là cực E.
• Đo xác định chân B và C:
- Với Transistor công xuất nhỏ thì thông thường chân E ở bên trái như vậy ta chỉ xác định chân B và suy ra chân C là chân còn lại.
- Để đồng hồ thang x1Ω , đặt cố định một que đo vào từng chân , que kia chuyển sang hai chân còn lại, nếu kim lên bằng nhau thì chân có que đặt cố định là chân B, nếu que đồng hồ cố định là que đen thì là Transistor ngược, là que đỏ thì là Transistor thuận.
- Với Transistor công xuất nhỏ thì thông thường chân E ở bên trái như vậy ta chỉ xác định chân B và suy ra chân C là chân còn lại.
- Để đồng hồ thang x1Ω , đặt cố định một que đo vào từng chân , que kia chuyển sang hai chân còn lại, nếu kim lên bằng nhau thì chân có que đặt cố định là chân B, nếu que đồng hồ cố định là que đen thì là Transistor ngược, là que đỏ thì là Transistor thuận.
