Bóng bán dẫn có thể được coi như là một loại công tắc điện tử, bởi nó có nhiều thành phần electron (điện tử dịch chuyển). Chuyển mạch dùng transistor là nhanh hơn nhiều hơn so với chuyển mạch cơ khí.
Có hai loại bóng bán dẫn cơ bản: Tiếp giáp bi-polar (BJT) và oxit kim loại hiệu ứng trường (MOSFET), và trên thực tế có hai phiên bản của BJT: NPN (phân cực ngược) và PNP (phân cực thuận). Hầu hết các mạch có xu hướng sử dụng bóng phân cực ngược NPN. Có hàng trăm transistor có điện áp làm việc khác nhau nhưng tất cả đều thuộc vào một trong hai loại này. Bóng bán dẫn được sản xuất theo các hình dạng khác nhau nhưng đều có 3 chân. Chân BASE (cực gốc) - đó là chân làm nhiệm vụ kích hoạt transistor. Chân COLLECTOR (còn gọi là cực thu, cực góp) là chân dương. Chân EMITTER (còn gọi là cực phát) là chân âm.
Khi nó hoạt động như một bộ khuếch đại, nó lấy một dòng điện nhỏ ở một đầu (dòng điện đầu vào) và tạo ra (khuếch đại) một dòng điện lớn hơn nhiều (dòng đầu ra) tại một chân khác. Nói cách khác, nó như là một loại máy tăng dòng điện. Nó thực sự hữu ích trong những thứ như máy trợ thính, một trong những ứng dụng đầu tiên mà con người có được từ bóng bán dẫn. Máy trợ thính có một micro nhỏ để biến âm thanh xung quanh thành các dao động dòng điện (chuyển đổi dao động cơ thành dao động điện). Chúng được đưa vào một bóng bán dẫn để khuếch đại lên và truyền công suất ra một loa nhỏ, vì vậy bạn sẽ nghe một phiên bản lớn hơn nhiều so với những âm thanh xung quanh bạn (đầu vào).
Bóng bán dẫn cũng có thể làm việc như công tắc. Một dòng điện nhỏ chạy qua một phần của một bóng bán dẫn có thể làm cho một dòng điện lớn hơn nhiều (dòng điện thứ 2) chạy qua một phần (chân) khác của transistor. Nói cách khác, sử dụng bóng bán dẫn làm công tắc nghĩa là: dùng một dòng điện nhỏ để kích thông một dòng điện lớn (hai dòng điện khác nhau). Điều này là cơ bản để các chip trong máy tính làm việc. Ví dụ, một chip bộ nhớ chứa hàng trăm triệu hoặc thậm chí hàng tỷ bóng bán dẫn, mỗi bóng trong số đó có thể được bật hoặc tắt riêng. Vì mỗi bóng bán dẫn có thể ở hai trạng thái khác nhau, nó có thể lưu trữ hai số khác nhau, không (0) và một (1). Với hàng tỷ bóng bán dẫn, một con chip có thể lưu trữ hàng tỷ số không (0) và số một (1), và gần như hầu hết các con số bình thường và chữ cái (hoặc các ký tự, như chúng ta vẫn gọi chúng).
Các chế độ hoạt động
Không giống như các điện trở, luôn hoạt động tuân theo một mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp và dòng điện, bóng bán dẫn là các phần tử phi tuyến tính. Chúng có bốn chế độ hoạt động khác nhau, được đặt tên theo phương cách các dòng điện chạy qua chúng. (Khi chúng ta nói về dòng chạy qua một bóng bán dẫn, chúng ta thường mặc định là dòng chạy từ collector (cực thu) tới emitter (cực phát) của một transistor NPN.
Bốn chế độ hoạt động transistor là:
- Saturation (Bão hòa): - Các bóng bán dẫn hoạt động như là ngắn mạch. Dòng điện tự do chạy từ cực collector tới cực emitter.
- Cut-off (Đóng-Ngắt): - Các bóng bán dẫn hoạt động như một mạch mở. Không có dòng điện chạy từ cực thu đến cực phát.
- Active (Tích cực): - Dòng điện từ cực thu collector chạy đến cực phát emitter được tỷ lệ thuận với dòng điện cấp vào chân Base.
- Reverse-Active (Tích cực ngược): - Giống như chế độ tích cực, dòng điện ra tỷ lệ thuận với dòng vào chân Base, nhưng nó chạy ngược lại.
Một số kiểu đóng vỏ và vị trí chân của Transitor
Một trong những ứng dụng cơ bản nhất của một bóng bán dẫn là sử dụng nó để kiểm soát nguồn điện cho một phần khác của mạch - như là một chuyển mạch điện tử. Dùng nó trong các chế độ đóng-ngắt hoặc chế độ bão hòa, các bóng bán dẫn có thể tạo ra tín hiệu nhị phân bằng hiệu ứng bật/tắt của một chuyển mạch. Bộ chuyển mạch bằng transistor là đích đến trong việc xây dựng các khối vi mạch. Chúng được sử dụng để tạo các cổng logic, là tiền đề để tiếp tục tạo ra vi điều khiển, vi xử lý, và các mạch tích hợp khác.
Công tắc (Switch) Transistor
Học điện tử cơ bản đến nâng caoHầu hết các công tắc bằng bóng bán dẫn đều sử dụng một loại bóng có tiếp giáp phân cực ngược: NPN. Ví dụ chúng ta sử dụng một bóng NPN để điều khiển một LED công suất cao.
Trong khi một bộ chuyển mạch bình thường sẽ cần một thiết bị truyền động để gạt nhảy, chuyển mạch này được điều khiển bởi điện áp tại chân Base. Một vi điều khiển chân I/O, giống như trên một Arduino, có thể được lập trình theo mức cao hay thấp để chỉ thị cho LED bật hoặc tắt.
Khi điện áp tại chân Base lớn hơn 0.6V, các bóng bán dẫn bắt đầu bão hòa và lúc này là ngắn mạch giữa cực collector và cực emitter. Khi điện áp tại chân Base nhỏ hơn 0.6V, bóng bán dẫn ở trong chế độ Đóng-Ngắt, không có dòng điện chạy qua vì lúc này nó là mạch hở giữa chân C và E.
Mạch trên được gọi là một chuyển mạch bên thấp (low-side switch) bởi vì thiết bị chuyển mạch - transistor - là ở bên điện áp thấp của mạch điện (Gnd). Ngoài ra, chúng ta có thể sử dụng một bóng bán dẫn PNP để tạo ra một bộ chuyển mạch phía bên áp cao (high-side switch):
Tương tự như các mạch NPN, chân Base là chân đầu vào, và emitter được gắn với một điện áp không đổi. Tuy nhiên lần này, chân emitter được gắn mức cao, và tải được kết nối với các bóng bán dẫn ở phía mặt đất.
Mạch này hoạt động cũng giống như chuyển đổi NPN ở trên, nhưng có một sự khác biệt rất lớn: để cấp được nguồn cho tải, điện áp trên chân Base phải thấp. Điều này có thể gây ra các rắc rối, đặc biệt là nếu điện áp cao của tải (VCC trong hình này) là cao hơn so với điện áp cao đầu vào điều khiển. Ví dụ, mạch này sẽ không hoạt động nếu bạn cố gắng sử dụng một Arduino 5V- hoạt động để chuyển mạch trên một động cơ 12V. Trong trường hợp đó nó sẽ không thể nào bật công tắc tắt vì VB sẽ luôn luôn nhỏ hơn VE.
Điện trở Base (Điện trở cực Gốc)
Bạn sẽ nhận thấy rằng trong các mạch sử dụng một loạt các điện trở giữa các đầu vào điều khiển và chân Base của các bóng bán dẫn. Đừng quên thêm vào điện trở này! Một bóng bán dẫn mà không có một điện trở trên chân Base thì cũng giống như một đèn LED không có điện trở hạn dòng.
Hiểu theo một cách khác, một bóng bán dẫn chỉ là một cặp diode nối liền với nhau. Chúng là sự phân cực thuận tiếp xúc diode Base-Emitter để bật tải. Các diode chỉ cần 0.6V để bật, nhiều điện áp hơn có nghĩa là nhiều dòng hơn. Một số transistor chỉ cần đạt thông số tối đa là 10-100mA của dòng điện chạy qua chúng. Nếu bạn cung cấp một dòng điện vượt quá thông số tối đa, các bóng bán dẫn có thể bị phá hỏng.
Các điện trở giữa nguồn điều khiển và chân base hạn chế dòng tới chân base. Tiếp giáp base-emitter có mức điện áp rơi lý tưởng vào khoảng 0.6V, và điện trở tiêu tốn lượng điện áp còn lại. Giá trị của điện trở và điện áp qua nó sẽ thiết lập giá trị dòng điện.
Các điện trở cần phải đủ lớn để hạn chế hiệu quả dòng điện, nhưng cũng phải đủ nhỏ để cung cấp đủ dòng nuôi chân base. Dòng từ 1mA đến 10mA thường sẽ là đủ và điện trở base có giá trị từ 1k đến 10k, nhưng cần tra thêm datasheet (bảng dữ liệu) của bóng bán dẫn để chắc chắn hơn.
Một số BJTs thường xuyên được sử dụng trong các dự án cá nhân:
| Name | Type | Vce | Ic | Pd | ft |
| 2N2222 | NPN | 40V | 800mA | 625mW | 300MHz |
| BC548 | NPN | 30V | 100mA | 500mW | 300MHz |
| 2N3904 | NPN | 40V | 200mA | 625mW | 270MHz |
| 2N3906 | PNP | -40V | -200mA | 625mW | 250MHz |
| BC557 | PNP | -45V | -100mA | 500mW | 150MHz |
| TIP120 (power) | NPN | 60V | 5A | 65W | - |
MOSFET
Transistor bán dẫn oxit kim loại hiệu ứng trường (MOSFET, MOS-FET, hoặc MOS FET) là một loại bóng bán dẫn được sử dụng để khuếch đại hoặc chuyển mạch các tín hiệu điện tử (tạo xung - các trạng thái mức cao “1” và mức thấp “0”).
Ưu điểm chính của một MOSFET hơn một bóng bán dẫn thông thường là nó đòi hỏi dòng điện rất nhỏ để bật (ít hơn 1mA), trong khi có khả năng phân phối (dẫn) một dòng cao hơn nhiều đến tải (10 đến 50A hoặc nhiều hơn).
Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, hoặc viết tắt là MOSFET, có một trở kháng cổng đầu vào rất cao với dòng điện chạy qua các kênh giữa cực nguồn và cực máng được điều khiển bởi điện áp cổng. Do trở kháng đầu vào cao và tăng lên, MOSFETs có thể dễ dàng bị hư hỏng do tĩnh điện nếu không được bảo vệ hoặc xử lý cẩn thận.
MOSFET rất lý tưởng để sử dụng làm chuyển mạch điện tử hoặc các bộ khuếch đại nguồn chung (common-source) do lượng tiêu thụ điện năng của chúng là rất nhỏ. Các ứng dụng tiêu biểu của các transistor bán dẫn oxit kim loại hiệu ứng trường có trong các bộ vi xử lý, các bộ nhớ máy tính và các cổng logic CMOS, v.v...