Bài 16. Diode, transistor và mạch tích hợp IC

Cấu tạo: Diode được tạo thành từ hai lớp bán dẫn loại P và N ghép lại với nhau, tạo thành tiếp giáp P-N. Hai đầu được gọi là Anot (A - lớp P) và Catot (K - lớp N).

Ký hiệu: Mũi tên từ A đến K, đầu mũi tên là A, vạch ngang là K.

Nguyên lí hoạt động:

• Phân cực thuận: A → (+) nguồn, K → (−) nguồn => Diode dẫn điện.
• Phân cực ngược: A → (−) nguồn, K → (+) nguồn => Diode không dẫn (chỉ có dòng rỉ rất nhỏ).

Phân loại:

• Diode chỉnh lưu: Biến dòng AC thành DC.
• Diode Zener: Ổn định điện áp ở chế độ phân cực ngược.
• Diode phát quang (LED): Phát sáng khi có dòng thuận.
• Diode quang (Photodiode): Nhạy với ánh sáng.

Ứng dụng: Chỉnh lưu điện xoay chiều, ổn áp, bảo vệ mạch, hiển thị (LED), cảm biến ánh sáng.

Cấu tạo: Transistor gồm 3 lớp bán dẫn ghép lại, tạo thành hai loại:

• Transistor NPN: Hai lớp N ở ngoài, một lớp P ở giữa.
• Transistor PNP: Hai lớp P ở ngoài, một lớp N ở giữa.

Ba cực: Cực phát (Emitter - E), Cực gốc (Base - B), Cực thu (Collector - C).

Nguyên lí hoạt động:

• Dòng điện nhỏ từ B sang E (I_B) điều khiển dòng điện lớn từ C sang E (I_C).
• Hệ số khuếch đại dòng: $$\beta = \frac{I_C}{I_B}$$ với $$I_C = \beta \cdot I_B$$ và $$I_E = I_B + I_C$$

Phân loại:

• Transistor lưỡng cực (BJT): NPN và PNP (điều khiển bằng dòng).
• Transistor hiệu ứng trường (FET/MOSFET): Điều khiển bằng điện áp, tiêu thụ dòng rất nhỏ ở cực điều khiển.

Ứng dụng: Khuếch đại tín hiệu (âm thanh, radio), chuyển mạch điện tử (trong vi điều khiển, vi xử lí), tạo dao động, điều chỉnh điện áp.

Khái niệm: IC (mạch tích hợp) là một chip bán dẫn chứa hàng nghìn đến hàng tỉ linh kiện (transistor, diode, điện trở,…) được kết nối sẵn và cùng thực hiện một hoặc nhiều chức năng nhất định.

Phân loại theo mức độ tích hợp:

• SSI (Small Scale Integration): < 100 linh kiện.
• MSI (Medium Scale Integration): 100 – 1.000 linh kiện.
• LSI (Large Scale Integration): 1.000 – 100.000 linh kiện.
• VLSI (Very Large Scale Integration): 100.000 – 1.000.000 linh kiện.
• ULSI (Ultra Large Scale Integration): > 1.000.000 linh kiện.

Phân loại theo chức năng:

• IC tương tự (Analog IC): Khuếch đại thuật toán (Op-amp), ổn áp LM78xx, so sánh điện áp.
• IC số (Digital IC): Cổng logic (AND, OR, NOT…), vi điều khiển (AVR, PIC, ARM), vi xử lí (Intel, AMD), bộ nhớ (RAM, ROM, Flash).
• IC hỗn hợp (Mixed-signal IC): ADC (chuyển đổi tương tự - số), DAC (chuyển đổi số - tương tự).

IC có mặt trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại:

• Vi xử lí (CPU): Trái tim của máy tính, laptop, điện thoại thông minh (Intel Core, AMD Ryzen, Apple M…).
• Vi điều khiển (MCU): Điều khiển thiết bị thông minh, robot, ô tô (Arduino, STM32, ESP32).
• IC ổn áp: Cung cấp điện áp ổn định cho mạch (LM7805 cho 5V, LM7812 cho 12V).
• IC khuếch đại thuật toán (Op-amp): Khuếch đại tín hiệu, lọc tích cực, so sánh điện áp (LM741, LM358).
• IC viễn thông: Xử lí tín hiệu di động, WiFi, Bluetooth (Qualcomm Snapdragon, Broadcom).

Cả ba linh kiện đều chế tạo từ chất bán dẫn (silicium, germani, GaAs…) và là nền tảng của kĩ thuật điện tử hiện đại.