Tìm hiểu chung về diode
1. Diode là gì?
2. Ký hiệu diode trên các sơ đồ mạch
3. Cấu tạo của diode
4. Nguyên lý hoạt động của diode
5. Phân loại diode
6. Các thông số cần lưu ý
7. Ưu nhược điểm của Diode
8. Một số ứng dụng của diode chỉnh lưu
1. Diode là gì?
Đi ốt ( Diode ) là một loại kinh kiện bán dẫn, nó chỉ cho phép dòng điện đi qua theo 1 chiều xác định, không cho phép đi theo chiều ngược lại. Nó được dùng phần lớn trong việc xoay chiều dòng điện, chuyển đổi từ dòng xoay chiều sang 1 chiều.
Điốt bán dẫn thường đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N và được nối với 2 chân ra là anode và cathode.
2. Ký hiệu Diode trên các sơ đồ mạch
3. Cấu tạo của diode
Diode là một linh kiện bán dẫn được cấu tạo thành từ 3 hợp chất là Silic, Photpho, Bori. 3 nguyên tố này được pha tạp với nhau tạo hai lớp bán dẫn đặt tên là loại P và loại N được tiếp xúc với nhau. Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống, tạo thành một lớp lon trung hòa về điện, tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn.
Cực của diode đấu với lớp P được gọi là Anot (ký hiệu A), cực còn lại đấu với lớp N được gọi là Catot (ký hiệu K). Dòng điện chỉ được phép chạy từ A sang K.
Diode là một linh kiện bán dẫn được cấu tạo thành từ 3 hợp chất là Silic, Photpho, Bori. 3 nguyên tố này được pha tạp với nhau tạo hai lớp bán dẫn đặt tên là loại P và loại N được tiếp xúc với nhau. Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống, tạo thành một lớp lon trung hòa về điện, tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn.
Cực của diode đấu với lớp P được gọi là Anot (ký hiệu A), cực còn lại đấu với lớp N được gọi là Catot (ký hiệu K). Dòng điện chỉ được phép chạy từ A sang K.
4. Nguyên lý hoạt động của diode
Ở trạng thái bình thường diode sẽ có 1 miền cách điện để ngăn cản electron di chuyển qua. Khi sử dụng diode, chúng ta sẽ có 2 kiểu phân cực cho nó, đó là phân cực thuận và phân cực ngược.
Phân cực thuận cho Diode
Khi ta kết nối một nguồn điện áp bên ngoài vào diode, với Anode được kết nối với cực dương của nguồn và Cathode được kết nối với cực âm của nguồn.
Lúc này, lớp bán dẫn N ở Cathode sẽ được làm giàu hơn bởi electron từ cực âm của nguồn đi vào và lớp bán dẫn P ở Anode sẽ có nhiều lỗ trống hơn do electron đi vào cực dương.
Khi đó lớp tiếp giáp (vùng nghèo)sẽ dần thu hẹp lại, đến một ngưỡng nào đó lớp tiếp giáp sẽ gần như không còn (=> điều này sẽ tạo ra một phân cực thuận làm cho sự khuếch tán của các electron và lỗ trống không còn bị ngăn cản bởi điện áp tiếp xúc nữa). Kết quả là sẽ có một dòng electron chạy qua diode mà không gặp phải trở ngại gì.
- Ngưỡng mà electron có thể dễ dàng di chuyển qua, người ta gọi là điện thế ngưỡng.
- Khi điện thế nhỏ hơn điện thế ngưỡng, I sẽ tăng tỉ lệ thuận với V. Khi điện thế lớn hơn điện thế ngưỡng thì I sẽ không tăng nữa do toàn bộ lớp tiếp giáp gần như không còn.
- Ghi nhớ rằng nguồn điện áp bên ngoài phải lớn hơn điện áp tiếp xúc (0,6V đối với Silic) nếu không thì các electron và các lỗ trống sẽ không thể chạy qua vùng nghèo được.
Ở trạng thái bình thường diode sẽ có 1 miền cách điện để ngăn cản electron di chuyển qua. Khi sử dụng diode, chúng ta sẽ có 2 kiểu phân cực cho nó, đó là phân cực thuận và phân cực ngược.
Phân cực thuận cho Diode
Khi ta kết nối một nguồn điện áp bên ngoài vào diode, với Anode được kết nối với cực dương của nguồn và Cathode được kết nối với cực âm của nguồn.
Lúc này, lớp bán dẫn N ở Cathode sẽ được làm giàu hơn bởi electron từ cực âm của nguồn đi vào và lớp bán dẫn P ở Anode sẽ có nhiều lỗ trống hơn do electron đi vào cực dương.
Khi đó lớp tiếp giáp (vùng nghèo)sẽ dần thu hẹp lại, đến một ngưỡng nào đó lớp tiếp giáp sẽ gần như không còn (=> điều này sẽ tạo ra một phân cực thuận làm cho sự khuếch tán của các electron và lỗ trống không còn bị ngăn cản bởi điện áp tiếp xúc nữa). Kết quả là sẽ có một dòng electron chạy qua diode mà không gặp phải trở ngại gì.
- Ngưỡng mà electron có thể dễ dàng di chuyển qua, người ta gọi là điện thế ngưỡng.
- Khi điện thế nhỏ hơn điện thế ngưỡng, I sẽ tăng tỉ lệ thuận với V. Khi điện thế lớn hơn điện thế ngưỡng thì I sẽ không tăng nữa do toàn bộ lớp tiếp giáp gần như không còn.
- Ghi nhớ rằng nguồn điện áp bên ngoài phải lớn hơn điện áp tiếp xúc (0,6V đối với Silic) nếu không thì các electron và các lỗ trống sẽ không thể chạy qua vùng nghèo được.
Phân cực ngược cho Diode
Khi ta đảo ngược chiều nguồn cung cấp cực dương được kết nối với Cathode và cực âm được kết nối với Anode.
Khi đó các lỗ trống sẽ bị kéo về phía cực âm, còn các electron thì bị kéo về phía cực dương (hay các electron sẽ chạy từ lớp N sang cực dương và cực âm sẽ bổ sung electron vào lỗ trống của lớp P).
Điều này khiến cho vùng nghèo mở rộng ra. Và kết quả là diode sẽ đóng vai trò như một chất cách điện để ngăn không cho dòng điện đi qua.
- Đến một ngưỡng V nào đó, sẽ phá thủng lớp tiếp giáp này => ngưỡng này gọi là điện thế đánh thủng. (Diode có thể chịu được điện áp ngược khoảng 1000V thì Diode bị đánh thủng.)
- Tại vùng đánh thủng, dòng điện ngược tăng đột ngột trong khí điện áp giữa anode và cathode không tăng. Đây là hiện tượng hủy thác, dòng điện này có thể làm hỏng diode.
5. Phân loại diode
• Đi ốt chỉnh lưu: thường hoạt động ở dải tần thấp, chịu được dòng điện lớn và có áp ngược chịu đựng dưới 1000V. Những diode này chủ yếu để dùng chỉnh lưu dòng điện xoay chiều sang một chiều.
Khi ta đảo ngược chiều nguồn cung cấp cực dương được kết nối với Cathode và cực âm được kết nối với Anode.
Khi đó các lỗ trống sẽ bị kéo về phía cực âm, còn các electron thì bị kéo về phía cực dương (hay các electron sẽ chạy từ lớp N sang cực dương và cực âm sẽ bổ sung electron vào lỗ trống của lớp P).
Điều này khiến cho vùng nghèo mở rộng ra. Và kết quả là diode sẽ đóng vai trò như một chất cách điện để ngăn không cho dòng điện đi qua.
- Đến một ngưỡng V nào đó, sẽ phá thủng lớp tiếp giáp này => ngưỡng này gọi là điện thế đánh thủng. (Diode có thể chịu được điện áp ngược khoảng 1000V thì Diode bị đánh thủng.)
- Tại vùng đánh thủng, dòng điện ngược tăng đột ngột trong khí điện áp giữa anode và cathode không tăng. Đây là hiện tượng hủy thác, dòng điện này có thể làm hỏng diode.
5. Phân loại diode
• Đi ốt chỉnh lưu: thường hoạt động ở dải tần thấp, chịu được dòng điện lớn và có áp ngược chịu đựng dưới 1000V. Những diode này chủ yếu để dùng chỉnh lưu dòng điện xoay chiều sang một chiều.
• Diode Schottky: Diode Schottky là một loại linh kiện điện tử, còn được gọi là diode rào cản. Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau như bộ trộn âm, trong các ứng dụng tần số vô tuyến và như một bộ chỉnh lưu trong các ứng dụng điện. Đó là một diode điện áp thấp. Sụt giảm công suất thấp hơn so với điốt tiếp giáp PN. Diode Schottky được đặt theo tên của nhà khoa học Schottky.
• Đi ốt Zener (ổn áp): hay còn gọi với cái tên khác là điốt đánh thủng – điốt ổn áp… Đây là một loại điốt bán dẫn làm việc ở chế độ phân cực ngược trên vùng điện áp đánh thủng (breakdown). Loại này được chế tạo nhằm mục đích tối ưu để hoạt động tốt trong miền đánh thủng. Chúng được sử dụng rất nhiều trong các mạch nguồn điện áp thấp bởi đặc tính ổn áp của nó. Đây là một diode có chức năng hoạt động rất đặc biệt vì có thể cho dòng điện chạy từ K sang A nếu như nguồn điện áp đủ lớn hơn điện áp ghim của nó. Khi có dòng điện ngược chạy qua thì nó ghim lại một điện áp ghim như thông số trên datasheet của nó.
• Điốt biến dung (Varicap): Diode biến dung hay Varicap là loại điốt bán dẫn có nhiệm vụ biến đổi điện dung. Nó được tạo ra để giống như tụ điện có khả năng thay đổi điện dung. Diode biến dung điều chỉnh mức điện dung đến vài chục pF, được ứng dụng cho các mạch điều hưởng tần số cao ( khoảng 50 MHz trở lên ).
• Đi ốt phát quang (laser): là những đèn LED được sử dụng nhiều làm đèn chiếu sáng, đèn báo hiệu, đèn quảng cáo
• Điốt quang (Photodiode): Diode thu quang hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vỏ diode có một miếng thuỷ tinh để ánh sáng chiếu vào mối P – N , dòng điện ngược qua diode tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào diode.
• Điốt hạn xung hai chiều (TVS): là những diode có tần số đáp ứng cao từ vài chục kilo Hecz đến cả Mega Hezt. Những diode này thường được sử dụng nhiều trong các bo nguồn xung, các thiết bị điện tử cao tần.
6. Các thông số cần lưu ý
Khi sử dụng Diode, chúng ta cần nắm vững các tham số cơ bản của chúng để sử dụng có hiệu quả và không làm hỏng Diode:
- Dòng điện định mức: là dòng điện hoạt động giới hạn của Diode (do nhà sản xuất cung cấp, có thể tra cứu trong các tài liệu của hãng sản xuất để xác định), nếu Diode làm việc với dòng điện cao hơn giá trị định mức này thì Diode sẽ bị hỏng.
- Tần số hoạt động: là tần số tối đa mà Diode có thể làm việc được. Quá tần số này thì Diode sẽ bị hỏng.
- Điện áp rơi trên Diode khi phân cực thuận Vf: khi có dòng điện chạy qua Diode thì giữa hai chân Anode và Cathode có một điện thế, điện thế này gọi là điện áp rơi trên Diode gọi là Vf hay Vak. Thông thường điện áp này có giá trị từ 0,3 đến 0,8V.
- Điện áp ngược tối đa mà Diode có thể chịu được (Vbr): trong mạch điện thì Diode thường phải làm việc ở cả chế độ phân cực thuận và chế độ phân cực nghịch. Trong chế độ phân cực nghịch thì Diode không dẫn nhưng nếu điện áp Vka (điện áp ngược) quá lớn sẽ làm Diode bị đứt hoặc nổ thành than.
Khi sử dụng Diode, chúng ta cần nắm vững các tham số cơ bản của chúng để sử dụng có hiệu quả và không làm hỏng Diode:
- Dòng điện định mức: là dòng điện hoạt động giới hạn của Diode (do nhà sản xuất cung cấp, có thể tra cứu trong các tài liệu của hãng sản xuất để xác định), nếu Diode làm việc với dòng điện cao hơn giá trị định mức này thì Diode sẽ bị hỏng.
- Tần số hoạt động: là tần số tối đa mà Diode có thể làm việc được. Quá tần số này thì Diode sẽ bị hỏng.
- Điện áp rơi trên Diode khi phân cực thuận Vf: khi có dòng điện chạy qua Diode thì giữa hai chân Anode và Cathode có một điện thế, điện thế này gọi là điện áp rơi trên Diode gọi là Vf hay Vak. Thông thường điện áp này có giá trị từ 0,3 đến 0,8V.
- Điện áp ngược tối đa mà Diode có thể chịu được (Vbr): trong mạch điện thì Diode thường phải làm việc ở cả chế độ phân cực thuận và chế độ phân cực nghịch. Trong chế độ phân cực nghịch thì Diode không dẫn nhưng nếu điện áp Vka (điện áp ngược) quá lớn sẽ làm Diode bị đứt hoặc nổ thành than.
7. Ưu nhược điểm của Diode
Ưu điểm
- Nó có chức năng như một bộ chỉnh lưu để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
- Nó được sử dụng để triệt tiêu xung đột điện áp. Ngoài ra, nó được sử dụng để bảo vệ các linh kiện điện tử dễ bị ảnh hưởng bởi điện áp ngược.
- Hoạt động nhanh và không cần thời gian khởi động.
- Đi-ốt bán dẫn không tạo ra bất kỳ dòng điện nào khi không đặt điện áp.
- Nó hoạt động ở điện áp thấp nên tiêu thụ ít điện năng hơn.
- Nó có kích thước nhỏ hơn và trọng lượng nhẹ.
- Có tuổi thọ cao.
Nhược điểm
- Đi-ốt bán dẫn không chịu được điện áp ngược quá cao.
- Nó cung cấp phản hồi kém.
- Có dòng bão hòa ngược.
- Độ ồn cao trong thiết bị bán dẫn ở tần số cao.
- Các đi-ốt khác nhau có những ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó đề cập đến những ưu điểm và nhược điểm riêng của từng loại đi-ốt tương ứng.
Ưu điểm
- Nó có chức năng như một bộ chỉnh lưu để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
- Nó được sử dụng để triệt tiêu xung đột điện áp. Ngoài ra, nó được sử dụng để bảo vệ các linh kiện điện tử dễ bị ảnh hưởng bởi điện áp ngược.
- Hoạt động nhanh và không cần thời gian khởi động.
- Đi-ốt bán dẫn không tạo ra bất kỳ dòng điện nào khi không đặt điện áp.
- Nó hoạt động ở điện áp thấp nên tiêu thụ ít điện năng hơn.
- Nó có kích thước nhỏ hơn và trọng lượng nhẹ.
- Có tuổi thọ cao.
Nhược điểm
- Đi-ốt bán dẫn không chịu được điện áp ngược quá cao.
- Nó cung cấp phản hồi kém.
- Có dòng bão hòa ngược.
- Độ ồn cao trong thiết bị bán dẫn ở tần số cao.
- Các đi-ốt khác nhau có những ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó đề cập đến những ưu điểm và nhược điểm riêng của từng loại đi-ốt tương ứng.
8. Một số ứng dụng của diode chỉnh lưu
- Chỉnh lưu điện áp : chỉnh lưu điện áp AC thành điện áp DC
- Cô lập tín hiệu từ nguồn cung cấp
- Tham chiếu điện áp
- Điều khiển kích thước của tín hiệu
- Trộn tín hiệu
- Phát hiện tín hiệu
- Hệ thống chiếu sáng
- Diode Laser
- Chỉnh lưu điện áp : chỉnh lưu điện áp AC thành điện áp DC
- Cô lập tín hiệu từ nguồn cung cấp
- Tham chiếu điện áp
- Điều khiển kích thước của tín hiệu
- Trộn tín hiệu
- Phát hiện tín hiệu
- Hệ thống chiếu sáng
- Diode Laser
