Tiếp tục là những tìm hiểu về các linh kiện điện tử cơ bản. Hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu về Diode với những thông tin về khái niệm, cấu tạo, phân loại cũng như nguyên lí hoạt động nhé!
Cũng giống như tụ điện, transistor, rơ le,… điốt hiện nay cũng được sử dụng một cách rộng rãi trong các bài toán điện. Nói về đi ốt cũng có một số điểm cần lưu ý.
Mục lục
Diode (đi ốt) là gì ?
Trước tiên chúng ta sẽ đi tìm hiểu về định nghĩa điốt, một bộ phận vô cùng quan trọng trong mạch điện, điốt tên tiếng anh là Diode, là một thiết bị điện cho phép dòng điện di chuyển qua nó theo một hướng dễ dàng hơn nhiều so với thiết bị kia. Thuật ngữ “diode” được dành riêng cho các thiết bị tín hiệu nhỏ, I ≤ 1 A. Nếu I > 1 A thì thuật ngữ được sử dụng là bộ chỉnh lưu. Loại diode phổ biến nhất trong thiết kế mạch hiện đại là diode bán dẫn ngoài ra còn nhiều các công nghệ diode khác tồn tại. Khi được đặt trong một mạch đèn pin đơn giản, diode sẽ cho phép hoặc ngăn dòng điện qua đèn, tùy thuộc vào cực của điện áp được áp dụng
Phân loại điốt
Mặc dù chúng ta thường sử dụng nhất là điốt bán dẫn nhưng trên thực tế còn có một số loại Diode khác có thể kể đến:
- Đi ốt chỉnh lưu thường
- Đi ốt Zener
- Đi ốt tín hiệu
- Đi ốt Schottky
- Đi ốt quang (Photodiode)
- LED (điốt phát sáng)
- Đi ốt Laser
Cấu tạo
Đi ốt 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.
Nguyên lí hoạt động
Khối bán dẫn P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N thì các lỗ trống này có xu hướng chuyễn động khuếch tán sang khối N. Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang. Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống).
Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng hình thành điện áp tiếp xúc.
Sự tích điện âm khối P và Dương khối N hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc (UTX). Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối N đến khối P nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc. Lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng 0.6V đối với điốt làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với điốt làm bằng bán dẫn Ge. Điệp áp ngoài ngược chiều điện áp tiếp xúc tạo ra dòng điện.
Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa. Vì vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là vùng nghèo. Vùng này không dẫn điện tốt, trừ khi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài. Đây chính là cốt lõi hoạt động của điốt. Điệp áp ngoài cùng chiều điện áp tiếp xúc ngăn dòng điện
Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch 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 khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt dẫn điện tự do. Nói cách khác điốt chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định.
Giới thiệu các loại đi-ốt loại đi ốt và công dụng
Backward đi-ốt
Loại đi-ốt này còn có thể được gọi là đi-ốt lùi và nó là loại không được sử dụng rộng rãi. Backward đi-ốt là loại có tiếp giáp PN tương đương như đi-ốt đường hầm có dòng điện cực đại rất nhỏ. Dưới tác động của điện áp ngược, dòng điện của nó tăng nhanh và đặc tính nhiệt độ rất ổn định, Loại đi-ốt này hiếm và chỉ thấy được ở những ứng dụng đặc biệt
BARRITT diode
Diode BARRIT là loại đi-ốt thường thấy trong các ứng dụng vi sóng và có nhiều điểm tương đồng với diode IMPATT nhưng diode IMPATT được sử dụng rộng rãi hơn. Nó được sử dụng trong các báo động chống trộm và ở đó nó tạo ra các tín hiệu vi sóng đơn giản với độ nhiễu tương đối thấp
Gunn đi-ốt
Gunn đi-ốt còn được gọi là linh kiện chuyển điện tử (TED), loại đi-ốt này là một thiết bị bán dẫn với hai đầu cuối và được sử dụng để tạo ra các tín hiệu vi sóng và hoạt động dựa trên hiệu ứng Gunn. Về cấu tạo Gunn đi-ốt chỉ bao gồm vật liệu bán dẫn N chứ không gồm cả P-N như các đi-ốt thông thường, do đó nó không dẫn điện theo một chiều và không điều chỉnh dòng xoay chiều như các đi-ốt khác
Ứng dụng lớn nhất của nó là trong các bộ dao động điện tử để tạo ra sóng tần số cao, trong các ứng dụng như súng bắn tốc độ, máy phát liên kết dữ liệu rơ le vi sóng và máy mở cửa tự động
Laser đi-ốt
Khác với các loại đi-ốt LED (di ot phát quang) đi-ốt laser cho phép tạo ra ánh sáng kết hợp. Các đi-ốt này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như DVD, ổ đĩa CD và anh sáng laser cho PPT
Mặc dù đi-ốt laser này có giá thành không quá cao so với các loại đèn hoặc thiết bị phát laser khác, nhưng nó đắt hơn nhiều so với đi-ốt LED
Đi-ốt phát quang
Đi-ốt phát quang hay còn gọi là LED (Light Emittiing Diode) là các đi-ốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hông ngoại, tử ngoại. Đây là một trong những loại đi-ốt được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất. Củng giống như các đi-ốt thông thường LED được tạo ra bằng cách ghép hai khối bán dẫn loại P-N
Ngoài ra, các loại LED ngày nay còn được phát triển nâng cấp thành OLED và QLED công nghệ thường được sử dụng trong các loại màn hình ti-vi, điện thoại, máy tính…
Đi-ốt quang
Đi-ốt quang hay còn gọi là photodiode nó củng là loại linh kiện bán dẫn cho phép chuyển đổi photon thành điện tích theo hiệu ứng quang điện nó giúp phát hiện ánh sáng
Thông thường, photodiode hoạt động trong điều kiện phân cực ngược và có thể phát hiện ánh sáng chỉ bằng một dòng điện rất nhỏ. Loại đi-ốt này củng có thể sử dụng để sản xuất nguồn điện như các tấm pin năng lượng mặt trời hoặc trong kỹ thuật điện như thiết bị đo đạc, giám sát, truyền dẫn thông tin, điều khiển…
Nó có thể dùng để chế tạo ở dạng đơn lẻ như cảm biến để kiểm tra khay giấy của máy in còn hay không, đến dạng tích hợp thành mảng lớn (Array) như cảm biến ảnh với hàng triệu phần tử như cảm biến CCD
Để điều khiển nó nhận biết loại ánh sáng phù hợp ta sẽ phủ lên bề mặt nó những loại màn lọc khác nhau
PIN đi-ốt
Đi-ốt Pin hay còn gọi là Pin Photodiode loại đi-ốt dò ảnh được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Diode Pin khác với các loại đi-ốt thông thường là bao gồm 3 vùng bán dẫn là P, I và N. Thông thường, hai vùng P và N đều bị pha tạp mạnh do chúng sử dụng các tiếp điểm Ohmic
Vùng I bên trong tương phản với hai lớp bán dẫn P, N này. Vùng này làm cho diode PIN trở thành bộ chỉnh lưu thấp, phù hợp cho các ứng dùng đòi hỏi hả năng đóng mở nhanh, bộ suy hao, máy dò ảnh và các ứng dụng điện tử công suất cao áp
Đi ốt PN
Đây là loại đi-ốt tiêu chuẩn và được sử dụng phổ biến trong hầu hết các loại mạch điện tử. Các đi-ốt này có thể là các loại tín hiệu nhỏ để sử dụng trong RF (tần số Radio) hoặc các dòng điện thấp khác và có thể được gọi là đi-ốt tín hiệu. Một số loại có thể được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và dòng điện cao được gọi là đi-ốt chỉnh lưu
Đi-ốt Schottky
Đi-ốt Schottky có điện áp chuyển tiếp thấp hơn so với diode Si PN thông thường. Ở dòng điện thấp, điện áp rơi có thể nào trong khoảng 0.15V & 0.4V so với 0.6V của diode Si. Để đạt được hiệu suất này, chúng được thiết kế theo một cách khác để so sánh với đi-ốt bình thường có tiếp xúc kim loại với chất bán dẫn
Các đi-ốt này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chỉnh lưu, đi-ốt kẹp và cả trong các ứng dụng RF
Step Recovery Diode
Là loại đi-ốt vi sóng được sử dụng để tạo ra các xung ở tần số rất cao. Các đi-ốt này hoạt động nhờ vào đặc tính tắt rất nhanh khi hoạt động của chúng
Tunnel đi-ốt
Tunnel đi-ốt (Esaki diode) là một loại đi-ốt bán dẫn được thực hiện bằng việc sử dụng các hiệu ứng cơ học lượng tử gọi là đường hầm. Nó có khả năng hoạt động rất nhanh ở vùng tần số vi sóng
Diode Varactor (Diode Varicap)
Có thể được gọi là đi-ốt biến dung (đi-ốt biến đổi điện dung) hoặc điôt tham số đây là loại đi-ốt bán dẫn được chế tạo theo cách thích hợp để hoạt động như một tụ điện có điện dung thay đổi được bằng cách thay đổi điện áp tác dụng vào nó
Trước khi có đi-ốt biến dung thì các mạch điều hướng phải dùng tụ điện biến đổi kiểu cơ học, thường dẫn đến phiền toái là giá trị tụ điện này thay đổi khi rung xóc làm lệch điều hưởng. Varicap không có chi tiết cơ học nên tránh được phiền tói nói trên. Tuy nhiên, chỉ số của nó chỉ được vài chục pF
Diode Zener
Các đi-ốt Zener được sử dụng để cung cấp điện áp tham chiếu ổn định và đây củng là một trong những loại đi-ốt được sử dụng phổ biến nhất. Nó hoạt động ở điều kiện phân cực ngược và khi đạt đến một điện áp cụ thể nó sẽ bị hỏng
Khi phân cực ngược đi-ốt Zener sẽ ghim một mức điện áp gần bằng giá trị ghi trên đi-ốt, làm ổn áp cho mạch điện
Các ứng dụng thường dùng nhất của diode:
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 ghim áp phân cực cho transistor hoạt động. Cụ thể hơn trong các trường hợp sau:
- Dùng để chỉnh lưu dòng điện:
- Dùng để giảm áp:
- Dùng để bảo vệ chống cắm nhầm cực:
Trên đây là một vài tìm hiểu cơ bản về Diode. Hi vọng bài viết này giúp các bạn có thêm những kiến thức thú vị và hữu ích.
