Transitor là gì? Quá trình phát triển, cấu trúc của một bóng bán dẫn

Transitor là gì? (What is a transistor?) Bóng bán dẫn là cốt lõi của công nghệ điện tử ngày nay. Sự phát triển của transistor lưỡng cực hoặc tiếp giáp lưỡng cực, BJT, đã dẫn đến nhiều thay đổi cho thế giới trong ngành công nghệ điện tử.

Sự ra đời của Transistor lưỡng cực đã cho phép nhiều công nghệ mà chúng ta sử dụng ngày nay: tất cả mọi thứ từ  transistor radios, cho đến điện thoại di động và máy tính, điều khiển từ xa, chức năng chúng ta sử dụng trong ô tô ngày nay, v.v. . . . Tất cả những thứ này và nhiều vật dụng hàng ngày khác đều đã được thực hiện nhờ việc phát minh ra bóng bán dẫn.

Transitor là gì? (What is a transistor?)
Transitor là gì? (What is a transistor?)

Ngày nay, transistor lưỡng cực có sẵn ở nhiều dạng. Có bóng bán dẫn cơ bản ở dạng chì hoặc có sẵn dưới dạng bóng bán dẫn bề mặt. Nhưng transistor cũng được sử dụng rộng rãi trong các mạch tích hợp. Hầu hết các IC kỹ thuật số sử dụng công nghệ hiệu ứng trường, nhưng nhiều IC tương tự sử dụng công nghệ lưỡng cực để cung cấp hiệu suất cần thiết.

Quá trình phát triển bóng bán dẫn

Công nghệ bán dẫn hiện đã được thiết lập tốt nhưng nó đã được sử dụng trong hơn một trăm năm. Các hiệu ứng bán dẫn đầu tiên đã được chú ý trở lại vào đầu những năm 1900 khi các bộ không dây hoặc radio đầu tiên được sử dụng. Nhiều ý tưởng đã được lên kế hoạch như máy dò.

Công nghệ van nhiệt hoặc ống chân không được giới thiệu vào năm 1904, nhưng những thiết bị này đắt tiền và cũng cần phải cung cấp năng lượng cho pin. Ngay sau đó, máy dò Cat’s Whisker đã được phát hiện. Điều này bao gồm một sợi dây mỏng được đặt trên một trong số các loại vật liệu. Những vật liệu này ngày nay được gọi là chất bán dẫn và tạo thành nền tảng của công nghệ điện tử hiện đại.

Transistor lưỡng cực được phát minh bởi ba nhà nghiên cứu làm việc tại Bell Laboratories, John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley. Họ đã nghiên cứu một ý tưởng sử dụng hiệu ứng trường để điều khiển dòng điện trong chất bán dẫn, nhưng họ không thể thực hiện ý tưởng này. Họ tập trung vào một khả năng khác và chế tạo một thiết bị đầu cuối bằng cách sử dụng hai điểm tiếp xúc gần nhau trên một tấm wafer của Germanium. Ý tưởng này đã có hiệu quả và họ đã có thể chứng minh rằng nó mang lại lợi ích vào cuối năm 1949.

Sau khi ý tưởng cơ bản được phát triển, phải mất một thời gian trước khi công nghệ bán dẫn được áp dụng, nhưng một khi nó đã được thực hiện, nó đã cất cánh theo một cách chính như chúng ta biết ngày nay.

Transistor lưỡng cực là gì

Transistor lưỡng cực là một thiết bị bán dẫn bao gồm ba lớp bán dẫn loại P hoặc loại N – một chất của một loại được kẹp giữa các chất bán dẫn loại P và N. Các transistor về cơ bản khuếch đại dòng điện nhưng nó có thể được kết nối trong các mạch được thiết kế để khuếch đại điện áp hoặc năng lượng.

Một bóng bán dẫn lưỡng cực cần phải được phân biệt với một bóng bán dẫn hiệu ứng trường. Một bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực, BJT, có được tên của nó từ thực tế là nó sử dụng cả lỗ trống và điện tử trong hoạt động của nó. Transistor hiệu ứng trường là các thiết bị đơn cực sử dụng một hoặc một trong hai loại sóng mang điện tích.

Một bóng bán dẫn lưỡng cực, hay chính xác hơn là một bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực, BJT, có hai điểm nối diode PN quay ngược trở lại. Transistor lưỡng cực có ba thiết bị đầu cuối, được đặt tên là  emitter (cực E), base (cực B) and collector (cực C)

Transistor – bóng bán dẫn lưỡng cực là thiết bị hiện tại, không giống như ống chân không van nhiệt và FET là thiết bị điện áp. Dòng điện chạy qua cực E ảnh hưởng đến dòng điện chạy giữa cực B và cực C.

Cấu trúc bóng transistor

Transistor là một thiết bị đầu cuối ba và bao gồm ba lớp riêng biệt. Hai trong số chúng được pha tạp để tạo ra một loại chất bán dẫn và có loại ngược lại, tức là hai loại có thể là loại n và một loại p, hoặc hai có thể là loại p và một loại có thể là loại n .. Chúng là sắp xếp sao cho hai lớp tương tự của bóng bán dẫn kẹp lớp đối diện. Kết quả là các thiết bị bán dẫn này được chỉ định là bóng bán dẫn PNP hoặc bóng bán dẫn NPN theo cách chúng được tạo thành.

Cấu trúc bóng transistor
Cấu trúc bóng transistor

Tên của ba điện cực được sử dụng rộng rãi nhưng ý nghĩa của chúng không phải lúc nào cũng được hiểu:

  • Base (Cực B): Cực B của bóng bán dẫn đạt được tên của nó từ thực tế là trong các bóng bán dẫn đầu tiên, điện cực này hình thành cơ sở cho toàn bộ thiết bị. Các bóng bán dẫn tiếp xúc điểm sớm nhất có hai điểm tiếp xúc được đặt trên vật liệu cực B. Cực B này hình thành các kết nối cơ sở. . ..
  • Emitter (Cực E): Emitter  tên của nó từ thực tế là nó phát ra các hạt mang điện.
  • Collector (Cực C): Collector   tên của nó từ thực tế là nó thu thập các hạt mang điện.

Đối với hoạt động của bóng bán dẫn, điều cần thiết là vùng cực B rất mỏng. Trong các bóng bán dẫn ngày nay, cơ sở thường có thể chỉ khoảng 1µm. Thực tế là vùng Base của bóng bán dẫn mỏng là chìa khóa cho các hoạt động của thiết bị. 

Làm thế nào để một bóng bán dẫn hoạt động

Một transistor có thể được coi là hai nút giao PN được đặt trở lại. Một trong số đó, cụ thể là đường giao nhau của bộ phát cực BE là phân cực thuận, trong khi cái còn lại, đường giao nhau của bộ thu BC bị phân cực ngược. Người ta nhận thấy rằng khi một dòng điện được tạo ra để chảy trong đường giao nhau của bộ phát BE thì một dòng điện lớn hơn trong mạch bộ thu mặc dù đường giao nhau của bộ thu BC bị phân cực ngược.

Làm thế nào để một transistor hoạt động?
Làm thế nào để một transistor hoạt động?

Để rõ ràng, ví dụ về một bóng bán dẫn NPN được lấy. Lý do tương tự có thể được sử dụng cho một thiết bị PNP, ngoại trừ lỗ trống là phần tử mang đa số thay vì electron.

Khi dòng điện chạy qua tiếp giáp BE, các electron rời khỏi E và chảy vào B. Tuy nhiên, doping trong khu vực này được giữ ở mức thấp và có tương đối ít lỗ để tái hợp. Kết quả là hầu hết các điện tử có thể chảy qua vùng B và vào vùng C, bị thu hút bởi tiềm năng tích cực.

Chỉ một tỷ lệ nhỏ các electron từ bộ phát cực E với các lỗ trống trong vùng cực B tạo ra dòng điện trong mạch phát xạ B-E. Điều này có nghĩa là hiện tại collector cao hơn nhiều.

Tỷ lệ giữa dòng ở cực C và dòng cực B. Đối với hầu hết các bóng bán dẫn tín hiệu nhỏ, điều này có thể nằm trong vùng 50 đến 500. Trong một số trường hợp, nó có thể còn cao hơn. Điều này có nghĩa là dòng thu gom thường từ 50 đến 500 lần chảy trong cực B. Đối với một bóng bán dẫn công suất cao, giá trị của có phần ít hơn: 20 là một giá trị khá điển hình.

Tại sao bóng bán dẫn NPN được sử dụng nhiều hơn bóng bán dẫn PNP

Khi nhìn vào các mạch và cả trong bảng dữ liệu, v.v., sẽ thấy rằng các transistor NPN phổ biến hơn nhiều so với các transistor PNP.

Cái này có một vài nguyên nhân:

  • Tính di động của sóng mang: Các transistor NPN sử dụng các electron như các sóng mang đa số thay vì các lỗ trống là các sóng mang đa số trong các transistor PNP. Khi các lỗ di chuyển dễ dàng hơn nhiều trong mạng tinh thể so với các điện tử, tức là chúng có độ linh động cao hơn, chúng có thể hoạt động nhanh hơn và cung cấp mức hiệu suất tốt hơn nhiều.
  • Nối đất âm:  Trong những năm qua, nối đất đã trở thành tiêu chuẩn, ví dụ như trong xe ô tô, v.v., và cực của transistor NPN có nghĩa là các cấu hình bóng bán dẫn cơ bản hoạt động với việc nối đất.
  • Chi phí sản xuất: Việc sản xuất các linh kiện bán dẫn dựa trên silicon được thực hiện một cách kinh tế nhất bằng cách sử dụng các tấm silicon loại N lớn. Trong khi có thể sản xuất transistor PNP, đòi hỏi diện tích bề mặt của wafer gấp 3 lần và điều này làm tăng đáng kể chi phí. Vì chi phí là một phần chính của chi phí thành phần chung, điều này làm tăng chi phí sản xuất đáng kể cho các bóng bán dẫn PNP.

Các transistor lưỡng cực, BJT, là dạng bóng bán dẫn đầu tiên được phát minh, và chúng vẫn còn được sử dụng rất rộng rãi ngày nay trong nhiều lĩnh vực. Chúng dễ sử dụng, giá rẻ và chúng đi kèm với thông số kỹ thuật để đáp ứng hầu hết các yêu cầu. Chúng là lý tưởng cho nhiều mạch mặc dù, tự nhiên, đặc điểm kỹ thuật của transistor lưỡng cực cần phải phù hợp với mạch.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *