Diode là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại của Diode

Chắc chắn bạn đã nghe nói qua về diode đúng không? Ví dụ như diode chỉnh lưu, diode bán dẫn, diode LED,… Vậy diode là gì? Có bao nhiêu loại diode? Hãy cùng Dubai Electric tìm hiểu về diode trong bài viết dưới đây nhé!

Diode là gì? Cấu tạo của diode

Diode, hay còn được gọi là điốt, là một linh kiện điện tử bán dẫn có khả năng chỉ cho phép dòng điện chạy qua nó theo một hướng duy nhất mà không cho phép dòng điện chạy ngược lại. Điốt bán dẫn thường có cấu trúc chung gồm một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N, và được kết nối với hai chân là anode và cathode.

Mạch chỉnh lưu là một mạch điện tử chứa các linh kiện điện tử có chức năng chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Mạch chỉnh lưu được sử dụng trong các nguồn điện một chiều và các mạch tách sóng trong các thiết bị vô tuyến. Trong mạch chỉnh lưu, thường sử dụng các điốt bán dẫn để điều khiển dòng điện và các đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác.

Điốt là một thành phần bán dẫn quan trọng. Linh kiện điốt ban đầu được phát hiện vào năm 1874 bởi nhà vật lý người Đức Ferdinand Braun. Các điốt bán dẫn đầu tiên được sản xuất khoảng năm 1906 từ các tinh thể khoáng chất như galena. Hiện nay, hầu hết các điốt được làm từ silic và đôi khi cũng sử dụng các chất bán dẫn khác như selen hoặc germani.

Các loại điốt tín hiệu và điốt chuyển mạch có công suất và dòng điện xếp hạng thấp hơn nhiều, thường chỉ khoảng 150mA và tối đa 500mW so với điốt chỉnh lưu. Tuy nhiên, chúng có khả năng hoạt động tốt hơn trong các ứng dụng với tần số cao hoặc trong các ứng dụng cắt và chuyển đổi xử lý các dạng sóng xung thời kỳ ngắn.

Phân loại diode

Chúng ta sẽ có một số loại điốt phổ biến trên thị trường như sau:

• Điốt chỉnh lưu: Loại điốt này thường hoạt động ở dải tần số thấp, có khả năng chịu dòng điện lớn và có khả năng chịu áp ngược dưới 1000V. Chúng được sử dụng chủ yếu để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
• Điốt phát quang (đèn LED): Đây là loại điốt được sử dụng rộng rãi trong ánh sáng chiếu sáng, đèn báo hiệu và quảng cáo.
• Điốt quang (photodiode): Điốt này có khả năng chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện, thường được sử dụng trong các ứng dụng cảm biến ánh sáng.
• Điốt Schottky: Điốt Schottky có thời gian phục hồi nhanh và điện áp chuyển đổi thấp, thích hợp cho các ứng dụng với tần số cao.
• Điốt hạn xung 2 chiều (TVS): Điốt này có khả năng phục vụ tần số cao từ vài chục kilo Hertz đến cả Mega Hertz. Thường được sử dụng trong các bộ nguồn xung và các thiết bị điện tử cao tần.
• Điốt tunnel (tunnel diode): Điốt này có thể hoạt động ở các mức điện áp rất thấp và có thể tạo ra sóng hình thù đặc biệt, thường được sử dụng trong các ứng dụng điện tử đặc biệt.
• Điốt biến dung (Varicap): Đây là loại điốt bán dẫn có khả năng điều chỉnh điện dung. Được sử dụng trong mạch điều khiển tần số cao với mức điện dung từ vài chục pF.
• Điốt Zener: Điốt Zener, còn được gọi là điốt đánh thủng, là loại điốt bán dẫn hoạt động trong vùng điện áp đánh thủng (breakdown). Loại này được thiết kế để hoạt động ổn định trong miền đánh thủng và thường được sử dụng trong các mạch nguồn điện áp thấp do khả năng ổn áp của nó.

Điốt là một linh kiện điện tử có những đặc tính đặc biệt, và mỗi loại điốt có ứng dụng riêng trong các mạch điện và thiết bị.

Ký hiệu diode thường dùng

Dưới đây là 1 số kí hiệu của các diode thường dùng hiện tại:

Nguyên lý hoạt động của diode

Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương, trong khi khối bán dẫn loại N chứa các điện tử tự do. Khi hai khối này được ghép lại, các lỗ trống trong khối P có xu hướng di chuyển khuếch tán sang khối N, và đồng thời khối P nhận thêm các điện tử từ khối N. Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư điện tử), trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư lỗ trống). Ở biên giữa hai khối, một số điện tử và lỗ trống sẽ hấp dẫn nhau và tạo thành các nguyên tử trung hòa. Trong quá trình này, năng lượng có thể được giải phóng dưới dạng ánh sáng hoặc các bức xạ điện từ có bước sóng tương ứng.

Sự tích điện âm ở khối P và điện dương ở khối N tạo nên một điện áp được gọi là điện áp xúc tiếp (UTX). Sự tồn tại của điện trường từ khối N tới khối P làm cản trở di chuyển khuếch tán. Sau một thời gian từ khi hai khối bán dẫn được ghép lại, giai đoạn di chuyển khuếch tán kết thúc và chỉ còn lại điện áp xúc tiếp. Khi đó, ta nói rằng P-N đang ở trạng thái cân bằng. Điện áp xúc tiếp ở trạng thái cân bằng là khoảng 0.7V đối với diode bán dẫn silic và khoảng 0.3V đối với diode bán dẫn germani.

Vùng biên giới giữa hai mặt tiếp xúc là nơi các điện tử và lỗ trống gặp nhau nhiều nhất, vì vậy giai đoạn tái hợp thường xảy ra ở vùng này, tạo ra các nguyên tử trung hòa. Vì vùng biên giới này ít có điện tử tự do, nó được gọi là vùng nghèo (depletion region). Vùng này không dẫn điện tốt, trừ khi điện áp xúc tiếp được cân bằng bởi một điện áp ngoài. Đây là nguyên tắc hoạt động cơ bản của diode.

Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp xúc tiếp, sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp xúc tiếp và vùng tiếp giáp trở nên dẫn điện tốt. Ngược lại, nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp xúc tiếp, sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống bị ngăn lại và vùng nghèo trở thành nghèo hạt điện tự do. Điều này có nghĩa là điốt chỉ cho phép dòng điện chảy qua nó trong một hướng nhất định.

Điốt hướng dẫn điện theo một chiều từ anode (đầu vào) sang cathode (đầu ra). Theo nguyên tắc, dòng điện chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp. Để có dòng điện qua điốt theo chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, cần phải đặt một điện thế cao hơn ở anode và thấp hơn ở cathode. Khi đó, ta có UAK > 0 và đối nghịch với điện áp xúc tiếp (UTX). Tương tự, để có dòng điện qua điốt, điện trường do UAK tạo ra phải mạnh hơn điện trường xúc tiếp, tức là UAK > UTX. Lúc đó, một phần của điện áp UAK được sử dụng để cân bằng với điện áp xúc tiếp (khoảng 0.6V), phần còn lại được sử dụng để tạo ra dòng điện thuận qua điốt.

 

Khi UAK > 0, điốt được gọi là phân cực thuận và dòng điện chảy qua điốt trong trạng thái này được gọi là dòng điện thuận (thường được ký hiệu là IF hoặc ID – dòng điốt). Dòng điện thuận có chiều từ anode (đầu vào) đến cathode (đầu ra). Khi UAK đã đạt đủ để cân bằng với điện áp xúc tiếp, điốt trở thành một dẫn điện rất tốt, tức là điện trở của điốt rất thấp (thường chỉ vài chục Ohm).

Do đó, một phần nhỏ của điện áp được sử dụng để duy trì dòng điện thuận, thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp cần để cân bằng với Utiếp xúc. Thông thường, phần điện áp cần để cân bằng với Utiếp xúc là khoảng 0.6V và phần điện áp để tạo dòng điện thuận có giá trị từ 0.1V đến 0.5V, tùy thuộc vào dòng điện thuận từ vài chục mA đến vài Ampere. Tương tự, giá trị của UAK cần đạt để có dòng điện qua điốt là khoảng từ 0.6V đến 1.1V. Ngưỡng 0.6V được gọi là ngưỡng điốt mở, và khi UAK = 0.7V, dòng điện qua điốt thường là vài chục mA.

Các nguyên lý cần tuân thủ lúc sử dụng diode

Nếu điốt còn hoạt động tốt, nó sẽ không dẫn điện theo chiều ngược từ cathode (đầu ra) sang anode (đầu vào). Tuy nhiên, trong thực tế, vẫn có một dòng ngược nhỏ nếu điốt bị phân cực ngược với một hiệu điện thế lớn. Dòng điện ngược này thường rất nhỏ (ở mức μA) và thường không cần quan tâm trong các ứng dụng công nghiệp. Tất cả các điốt chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược, và nếu điện áp ngược vượt quá một ngưỡng cụ thể (VBR – ngưỡng chịu đựng của điốt), điốt sẽ bị đánh thủng, dòng điện qua điốt tăng mạnh và gây cháy điốt. Do đó, khi sử dụng, cần tuân thủ các điều kiện sau:

1. Dòng điện thuận qua điốt không được vượt quá giá trị tối đa cho phép (có thể tra cứu trong tài liệu của nhà sản xuất để xác định).
2. Điện áp phân cực ngược (UKA) không được vượt quá VBR (ngưỡng đánh thủng của điốt, được cung cấp bởi nhà sản xuất).

Ví dụ, điốt 1N4007 có các thông số kỹ thuật sau do nhà sản xuất cung cấp: VBR = 1000V, IFmax = 1A, VF = 1.1V khi IF = IFmax. Các thông số trên cho biết:

• Dòng điện thuận qua điốt không được vượt quá 1A.
• Điện áp ngược tối đa áp dụng lên điốt không được vượt quá 1000V.
• Điện áp thuận (UAK) có thể tăng lên đến 1.1V khi dòng điện thuận bằng 1A. Cần lưu ý rằng đối với các điốt chỉnh lưu chung, khi UAK = 0.6V, điốt sẽ mở đầu dẫn điện và khi UAK = 0.7V, dòng điện qua điốt đạt mức vài chục mA.

Đặc tuyến Volt-Ampere của diode

Đặc tuyến Volt-Ampere của một diode miêu tả quan hệ giữa dòng điện qua điốt và điện áp UAK được áp dụng vào nó. Đặc tuyến này có thể được chia thành hai quá trình:

• Quá trình ứng với UAK > 0.7V, mô tả quan hệ giữa dòng điện và điện áp khi diode được phân cực thuận.
• Quá trình ứng với UAK < 0.7V, mô tả quan hệ giữa dòng điện và điện áp khi diode được phân cực ngược.

Khi diode được phân cực thuận và dẫn điện, dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của mạch ngoại vi (kết nối trực tiếp với diode). Dòng điện ít phụ thuộc vào điện trở thuận của diode vì giá trị điện trở thuận rất nhỏ, thường không đáng kể so với điện trở của mạch điện.

Mạch chỉnh lưu của diode là gì?

Mạch chỉnh lưu là một mạch điện được sử dụng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Nó bao gồm các linh kiện điện tử và điện điện tử. Mạch chỉnh lưu có thể được áp dụng trong các nguồn cung cấp điện một chiều, hoặc trong các mạch tách sóng trong các thiết bị vô tuyến. Các thành phần chính trong mạch chỉnh lưu có thể là các diode bán dẫn, đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác.

Mạch chỉnh lưu nửa sóng

Mạch chỉnh lưu nửa sóng cho phép chỉ 1 trong 2 nửa chu kỳ (dương hoặc âm) đi qua điốt, trong khi nửa kia bị khóa tùy thuộc vào hướng lắp đặt của điốt. Do chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, hiệu suất truyền công suất của mạch chỉnh lưu nửa sóng rất thấp. Mạch chỉnh lưu nửa sóng thường được sử dụng trong nguồn điện một pha và chỉ yêu cầu một diode bán dẫn.

Mạch chỉnh lưu toàn sóng

Mạch chỉnh lưu toàn sóng có khả năng chuyển đổi cả hai nửa chu kỳ của dạng sóng đầu vào thành dòng điện một chiều. Vì vậy, nó có hiệu suất cao hơn. Trong mạch chỉnh lưu toàn sóng, khi không có điểm giữa của biến áp, cần sử dụng tới 4 diode thay vì chỉ 1 như trong mạch chỉnh lưu nửa sóng. Điều này đòi hỏi hai diode để chỉnh lưu cho phần dương của điện áp ra (ví dụ như tại điểm X+) và hai diode khác để chỉnh lưu cho phần âm của điện áp ra (ví dụ như tại điểm X-). Cấu trúc này gọi là cầu chỉnh lưu.

Bộ chỉnh lưu toàn sóng chuyển đổi cả hai nửa chu kỳ của dạng sóng xoay chiều thành một dòng điện một chiều duy nhất: dương (hoặc âm), bằng cách đổi hướng dòng điện của nửa chu kỳ âm (hoặc dương). Nửa chu kỳ còn lại được kết nối với nửa kia để tạo thành một điện áp chỉnh lưu hoàn chỉnh. Trong trường hợp nguồn điện xoay chiều một pha có điểm giữa, chỉ cần hai diode được nối đấu ngược nhau (anốt với anốt hoặc catốt với catốt) để tạo thành một mạch chỉnh lưu toàn sóng.

Mạch chỉnh lưu sử dụng đèn không thông dụng thường có một đèn với một catốt và hai anốt được đặt trong cùng một vỏ. Trong trường hợp này, chỉ cần một bóng đèn không thông dụng có hai điốt. Các loại đèn như 5U4 và 5Y3 là các ví dụ phổ biến cho loại mạch này. Trong trường hợp mạch điện ba pha, cần sử dụng sáu diode. Thông thường, cần ba cặp diode, nhưng không cần phải là cặp diode cùng loại như trong mạch chỉnh lưu toàn sóng một pha. Thay vào đó, sử dụng cặp diode được nối liền (catốt nối với anốt). Thường, các cặp diode được xếp thành bốn chân để có thể linh hoạt kết nối cho mạch chỉnh lưu toàn sóng một pha hoặc mạch cầu một pha và ba pha.

Ứng dụng của diode

Các ứng dụng phổ biến của diode:

• Chỉnh lưu dòng điện: Diode được sử dụng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
• Giảm áp: Diode có khả năng tạo ra sụt áp khi dòng điện đi qua. Điều này được sử dụng để giảm áp trong nhiều trường hợp. Ví dụ, khi bạn có một đầu vào 5V và cần điều chỉnh nó xuống gần 3V, bạn có thể kết nối một chuỗi các diode để giảm áp.
• Bảo vệ chống cắm nhầm cực: Trong các thiết bị điện tử chỉ chấp nhận nguồn cấp với cực đúng, việc cấp ngược cực sẽ gây hỏng thiết bị. Để bảo vệ thiết bị khỏi nguồn cấp ngược, ta thường sử dụng một diode để chỉ cho phép dòng điện chạy theo một chiều duy nhất. Điều này đảm bảo rằng thiết bị sẽ luôn an toàn, ngay cả khi nguồn cấp có cực đảo.

Đây là những ứng dụng phổ biến của diode mà Dubai Electric đã tổng hợp và chia sẻ. Hy vọng thông tin này sẽ hữu ích cho những ai quan tâm đến các linh kiện điện tử.

Xem thêm:

• Loại đèn có hiệu suất phát quang cao nhất là đèn gì?
• Công dụng của đèn led là gì? Lợi ích tuyệt vời của đèn LED
• Tìm hiểu cấu tạo đèn năng lượng mặt trời và nguyên lý hoạt động