Diode là gì? cấu tạo và phân loại

Diode là gì? cấu tạo và nguyên lý hoạt động của diode là gì? phân loại các diode và ứng dụng của chúng trong đời sống hiện nay

Diode là gì?

Diode là gì? Diode là một linh kiện bán dẫn thụ động và phí tuyến, chỉ cho phép dòng điện đi qua theo một chiều duy nhất và không chạy ngược lại. Sử dụng các tính chất của các chất bán dẫn. Theo phiên âm tiếng Việt thì chúng còn gọi là đi - ốt. 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.

Ký hiệu diode là gì?

[caption id="attachment_4462" align="aligncenter" width="600"] Một vài ký hiệu diode thường gặp[/caption]

Hình dạng diode:

[caption id="attachment_4463" align="aligncenter" width="600"] Diode là gì?[/caption]

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Diode

Ở phần đầu ta đã tìm hiểu về khái niệm diode là gì? Sau đây chúng ta sẽ đi sâu hơn để tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng.

1. Cấu tạo của diode là gì? 

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.

[caption id="attachment_4464" align="aligncenter" width="600"] Cấu tạo của diode là gì?[/caption]

2. Nguyên lý hoạt động của diode

Khối bán dẫn P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương, khi được ghép với khối bán dẫn N các lỗ trống sẽ chuyển động khuếch tán qua khối N. Lúc này khối P cũng sẽ nhận lại các điện tử mang điện tích âm từ khối N chuyển sang.

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút, khi chúng tiến lại gần nhau kết hợp lại tạo thành các nguyên tử trung hòa. Qúa trình này giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng hình thành điện áp tiếp xúc. Sự tích điện âm ở khối P và điện dương ở khối N hình thành một điện áp tiếp xúc. Từ điện áp tiếp xúc sản sinh ra điện trường có hướng từ khối N đến khối P, lúc này P – N đều ở trạng thí cân bằng.

Trái ngược lại ở vùng biến giới ở hai mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là cùng nghèo. Khả năng dẫn điện kém, trừ khi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài. Điện áp ngoài cùng chiều điện áp tiếp xúc ngăn dòng điện. Đây chính là cốt lõi hoạt động của diode.

Nói cách khác thì diode chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định.

• Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt.
• Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của điện tử và lỗ trống bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt điện tự do.

Phân loại diode

1. Diode tín hiệu

Một diode tín hiệu là một chất bán dẫn phi tuyến tính nhỏ thường được sử dụng trong các mạch điện tử, nơi tần số cao và dòng nhỏ, trong mạch vô tuyến truyền hình, máy phát thanh, các mạch logic số,…

Diode tín hiệu còn có tên gọi cũ là diode tiếp xúc hoặc diode thụ động thủy tinh. Đặc điểm nổi bật của loại diode này là:

• Điện áp nghịch đảo cực đại (PIV): lượng điện áp tối đa có thể được áp dụng cho diode theo hướng ngược lại.
• Điện cực phân tán (P_D ): là lượng điện năng tối đa sẽ bị tiêu tán tại diode tín hiệu tiếp giáp PN trong quá trình dẫn dòng điện. công suất dư thừa sẽ bị tiêu tan dưới dạng nhiệt.
• Chuyển tiếp dòng điện (I_F ): là lượng cực dương tối đa mà 1 diode tín hiệu có thể xử lý mà không làm hỏng thiết bị.
• Nhiệt độ hoạt động (T): nhiệt độ tối đa của thiết bị tại đó đạt được dòng chuyển tiếp tối đa.

2. Diode chỉnh lưu

Diode chỉnh lưu là loại diode chỉ cho phép dòng điện đi theo một hướng duy nhất, vai trò chủ yếu của chúng là chuyển đổi dòng điện xoay chiều về dòng điện một chiều. Trên thực tế thì diode chỉnh lưu được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống như trong cách mạch điện tử của tivi, máy tính, tủ lạnh,… hay trên các thiết bị đèn của xe máy, ô tô,…

Diode chỉnh lưu chủ yếu cấu thành từ Si, có hai đặc tính kỹ thuật cơ bản là dòng điện thuận tối đa và điện áp ngược tối đa. Từng loại diode chỉnh lưu khác nhau sẽ có khả năng chịu đựng dòng điện khác nhau. Có loại chỉ chịu được khoảng vài trăm mA nhưng cũng có loại chịu được đến vài trăm A.

Ngoài ra, Diode chỉnh lưu thường hoạt động ở dải tần thấp, chịu được dòng điện lớn và có áp ngược chịu đựng dưới 1000V.

3. Diode xung

Diode xung là loại diode hoạt động với tần số cao lên đến vài chục kHz, không một diode thông thường nào có thể thay thế được chúng. Nhưng ngược lại thì diode xung có thể thay thế cho các diode thông thường.

Diode xung mang hình dáng giống như một diode thông thường nhưng trên thân có ghi thêm vài đường vòng nét đứt để dễ phân biệt hơn. Với từng tần số hoạt động khác nhau mà màu sắc cũng sẽ khác. Một vài màu hay thường thấy là trắng, hồng, xanh, vàng,…

Diode xung được dùng để chỉnh lưu điên áp xung thành điện áp DC trong các mạch nguồn xung và trong các thiết bị điện tử cao tần.

4. Diode biến dung

Diode biến dung có tên đầy đủ là diode biến đổi điện dung, còn có tên gọi khác là diode tham số, varicap, varactor,… Đây là một loại diode bán dẫn được chế tạo hoạt động như một tụ điện có điện dùng thay đổi được bằng cách thay đổi điện áp tác dụng vào nó. Đặc biệt, trị số của diode biến dung chỉ lên đến vài chục pF nên chỉ ứng dụng được với mạch điều chỉnh tần số cao (Từ 50MHz trở lên).

Diode biến dung được ứng dụng để làm máy thu hình, máy thu sóng FM, trong các mạch điều chỉnh tần số có cộng hưởng bằng điện áp và các thiết bị truyền thông khác. Các diode biến dung giúp giải quyết bài toán:

• Kích thước nhỏ, trị số nhỏ và ổn định, phù hợp với kích thước và không gian của mạch dao động.
• Khả năng phản hồi thông qua điện áp điều khiển để tinh chỉnh giữ cho tần số ổn định.

5. Diode phát quang

Diode phát quang hay còn gọi là LED – Light Emitting Diode là loại diode có khả năng phát ra ánh sáng hoặc phát ra tia hồng ngoại, tia tử ngoại. Chúng được phát sáng khi có dòng điện tác động lên chúng. Chúng hoạt động với nhiều vai trò khác nhau trong tất cả các loại thiết bị.

Ngày nay, diode phát quang được dùng chủ yếu cho hai lĩnh vực chính là:

• Chiếu sáng dân dụng: được sử dụng chiếu sáng cho nội thất, nhà cửa, sân vườn,…
• Chiếu sáng công nghiệp: chiếu sáng cho nhà xưởng, doanh nghiệp,…

Ngoài ra diode phát quang còn được ứng dụng cho các đồng hồ kỹ thuật số để phát sáng các con số, truyền thông tin điều khiển từ xa, chiếu sáng các thiết bị điện tử. Hay được kết hợp để tạo thành các hình ảnh trên màn hình tivi, chiếu sáng biển quảng cáo, đèn giao thông,…

6. Diode thu quang

Diode thu quang hay còn gọi là Photodiode là loại diode sử dụng hiệu ứng quang điện để chuyển đổi photon thành điện tích. Các photon có thể là vùng ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X, tia gamma,…

Chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị đo đạc, truyền dẫn thông tin, giám sát và điều khiển, đặc biệt trong các kỹ thuật điện tử. Chúng đóng vai trò là cảm biến một trạng thái nào đó. Ví dụ như giấy trong khay máy in hết hay đang còn,…

Chúng hoạt động với 4 chế độ:

• Chế độ quang điện: làm việc không đạt thiên áp, dòng quang điện được ánh sáng tạo ra và dùng làm nguồn cấp điện. Điển hình là pin mặt trời.
• Chế độ quang dẫn: làm việc có đặt thiên áp ngược, làm mở rộng vùng nghèo, tăng dòng dò, tăng tiếng ồn và giảm điện dung tiếp giáp nhưng không tác động đến dòng quang điện.
• Chế độ tuyết lở: làm việc với thiên áp ngược đủ lớn, khi photon tạo cặp điện tử-lỗ trống xảy ra thì sự tăng tốc do điện trường đủ mạnh sẽ kích thích vụ tạo cặp khác theo dạng sự cố sạt lở tuyết.
• Phototransistor là transis đóng vỏ có cửa trong suất để photon xâm nhập, về công nghệ chế tọa thì các biện áp hạn chế dòng rò và nhiễu được áp dụng.

7. Diode zenzer

Diode zenzer hay còn gọi là diode ổn áp là một loại diode bán dẫn làm việc ở chế độ phân cực ngược trên cùng điện áp đánh thủng. Do tính chất dẫn điện một chiều nên Diode thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, các mạch tách sóng, mạch gim áp phân cực cho transistor hoạt động. Trong mạch chỉnh lưu Diode có thể được tích hợp thành Diode cầu.

Thông thường diode Zener công suất nhỏ được dùng để cấp điện áp mốc (ổn áp) hoặc hạn chế mức điện áp cho mạch điện.

Diode Zener công suất lớn được dùng trong mạch ổn áp kiểu song song, tuy nhiên vì tổn hao điện và mức nhiệt phát ra nhiều trên diode và điện trở chặn, nên mạch này ít được sử dụng.

Cặp diode Zener đấu đối nhau sẽ tạo ra mạch cắt đỉnh tín hiệu xoay chiều, dùng khi cần tạo dạng (Waveform clipper) hoặc hạn chế mức điện áp, như ở ngõ vào các khuếch đại.

Bài viết trên đã tổng hợp các kiến thức về diode là gì? Hy vọng mang đến hữu ích cho bạn.

>>> Tham khảo: Sensor là gì? Tổng quan về các loại cảm biến thông dụng