Diode bán dẫn

1. Giới thiệu Diode

1.1. Diode là gì?

Diode bán dẫn hay còn gọi 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 ≤ 1A.
  • Nếu I > 1A 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.

Diode có thể được sử dụng làm chỉnh lưu, bộ hạn chế tín hiệu, điều chỉnh điện áp, công tắc, bộ điều biến tín hiệu, bộ trộn tín hiệu, bộ giải điều chế tín hiệu và bộ dao động. Đặc tính cơ bản của một diode là nó có xu hướng điều khiển dòng điện chỉ theo một hướng.

Hình 1. Cấu tạo và ký hiệu diode trong mạch điện.

Điện áp Breakdown (Điện áp đánh thủng): Nếu một lượng lớn điện áp đủ âm được cấp cho diode, nó sẽ cho phép dòng điện đi theo hướng ngược lại. Điện áp âm này được gọi là điện áp đánh thủng.

1.2. Kí hiệu

Hình 2. Kí hiệu của một số diode thông dụng.

2. Phân loại diode

Có nhiều loại diode bán dẫn, như diode chỉnh lưu thông thường, diode Zener, LED,… Chúng 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.

Hình 3. Các loại diode.

Sau đây chúng ta hãy cùng đi tìm hiểu một số loại diode cơ bản.

  • Diode chỉnh lưu: Các diode này được sử dụng để chỉnh lưu nguồn xoay chiều đầu vào thành nguồn cung cấp. Một diode chỉnh lưu hay diode nguồn là một diode tiêu chuẩn có thông số dòng điện tối đa cao hơn nhiều.

Hình 4. Diode chỉnh lưu.

  • 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 và trong các mạch logic số.
  • Diode Schottky: Điểm đặc trưng của các diode loại này là chúng có điện áp rơi thấp hơn so với các diode tiếp giáp P-N thông thường. Điện áp rơi vào khoảng 0,15 -0,4 V cho những dòng thấp, so với 0,6V của diode Silic.

Hình 5. Diode Schottky.

  • Diode Zener (còn gọi là diode hạn chế mức điện áp, diode ổn áp): Diode Zener là những diode khác biệt so với dòng diode thông thường. Chúng thường được sử dụng để điều khiển dòng ngược. Zener được thiết kế để có một điện áp đánh thủng rất chính xác, được gọi là đánh thủng zener hoặc điện áp zener. Khi dòng ngược đủ lớn thông qua zener, điện áp sụt giảm trên nó sẽ được ghim giữ ở mức điện áp đánh thủng cố định. Tận dụng đặc tính của điện áp đánh thủng, các diode Zener thường được sử dụng để tạo ra một điện áp tham chiếu chính xác làm điện áp Zener. Chúng có thể được sử dụng như một bộ điều chỉnh điện áp cho các tải nhỏ, nhưng thực ra chúng không tạo sự ổn áp cho các mạch điện mà sẽ tiêu hao một lượng lớn của dòng điện.

Hình 6. Diode Zener.

  • Diode phát sáng (LEDs): Cũng giống như diode thông thường, đèn LED chỉ cho phép dòng điện chạy qua theo một hướng.

Hình 7. Diode phát sáng (LEDs).

  • Photodiode (diode quang): Diode quang được sử dụng để phát hiện ánh sáng, ranh giới độ rộng, độ trong suốt.

Hình 8. Photodiode (diode quang).

  • Diode Laser: Đây là một kiểu khác của diode phát quang – đèn LED, nhưng nó tạo ra ánh sáng chùm kết hợp. Những diode này được ứng dụng làm mắt đọc trong ổ đĩa DVD và CD, con trỏ laser, v.v… Diode laser đắt hơn so với đèn LED. Tuy nhiên, chúng rẻ hơn so với các loại máy phát laser. Ngoài ra, các diode laser có tuổi thọ ngắn.

Hình 9. Diode Laser.

  • Diode biến dung – Varicap Có tính chất đặc biệt, đó là khi phận cực nghịch, diode giống như một tụ điện, loại này được dùng nhiều cho máy thu hình, máy thu sóng FM và nhiều thiết bị truyền thông khác.
  • Diode ổn định dòng điện là loại diode hoạt động ngược với diode Zener. Trong mạch điện điốt này có tác dụng duy trì dòng điện không đổi.
  • Diode step – recovery Ở bán kỳ dương, diode này dẫn điện như loại diode Silic thông thường, nhưng sang bán kỳ âm, dòng điện ngược có thể tồn tại một lúc do có lưu trữ điện tích, sau đó dòng điện ngược đột ngột giảm xuống còn 0.
  • Diode ngược Là loại diode có khả năng dẫn điện theo hai chiều, nhưng chiều nghịch tốt hơn chiều thuận.

Hình 10. Cách đo kiểm tra diode.

3. Tiếp giáp P – N và cấu tạo của Diode bán dẫn

Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P – N ta được một Diode, tiếp giáp P – N  có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống ⇒ tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện ⇒ lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn.

Hình 11. Mối tiếp xúc P – N ⇒ Cấu tạo của Diode.

4. Phân cực thuận và phân cực ngược cho Diode

4.1. Phân cực thuận cho diode

Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anode (vùng bán dẫn P) và điện áp âm (-) vào Katod (vùng bán dẫn N), khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V (với Diode loại Si) hoặc 0,2V (với Diode loại Ge) thì diện tích miền cách điện giảm bằng không ⇒ Diode bắt đầu dẫn điện. Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V).

Hình 12. Diode (Si) phân cực thuận – Khi Dode dẫn điện áp thuận đựơc ghim ở mức 0,6V.

Hình 13. Đường đặc tuyến của điện áp thuận qua Diode.

Kết luận: Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận < 0,6V thì chưa có dòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V thì có dòng đi qua Diode sau đó dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị 0,6V.

4.2. Phân cực thuận cho diode

Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katod (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chiu được điện áp ngược rất lớn khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng.

Hình 14. Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng ≥ 1000V.

5. Hoạt động

Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển 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 (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).

Sự tích điện âm bên khối P và dương bên 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 0,7V đối với diode làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0,3V đối với diode làm bằng bán dẫn Ge.

Hình 15. Điện áp tiếp xúc hình thành.

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 (depletion region). Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài. Đây là cốt lõi hoạt động của diode.

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 các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt điện tự do. Nói cách khác diode chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định.

Hình 16. Điệp áp ngoài ngược chiều điện áp tiếp xúc tạo ra dòng điện.

Hình 17. Điệp áp ngoài cùng chiều điện áp tiếp xúc ngăn dòng điện.

Diode chỉ dẫn điện theo một chiều từ anode sang cathode. Theo nguyên lý dòng điện chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, muốn có dòng điện qua diode theo chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, cần phải đặt ở anode một điện thế cao hơn ở cathode. Khi đó ta có UAK > 0 và ngược chiều với điện áp tiếp xúc (Utiếp xúc). Như vậy muốn có dòng điện qua diode thì điện trường do UAK sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là: UAK > UTX. Khi đó một phần của điện áp UAK dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0,6V), phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua diode.

Khi UAK > 0, ta nói diode phân cực thuận và dòng điện qua diode lúc đó gọi là dòng điện thuận (thường được ký hiệu là IF tức I-FORWARD hoặc ID tức I-DIODE). Dòng điện thuận có chiều từ anode sang cathode.

Khi UAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì diode trở nên dẫn điện rất tốt, tức là điện trở của diode lúc đó rất thấp (tầm khoảng vài chục Ohm). Do vậy phần điện áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân bằng với Utiếp xúc. Thông thường phần điện áp dùng để cân bằng với Utiếp xúc cần khoảng 0,6V và phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0,1V đến 0,5V tùy theo dòng thuận vài chục mA hay lớn đến vài Ampere. Như vậy giá trị của UAK đủ để có dòng qua diode khoảng 0,6V đến 1,1V. Ngưỡng 0,6V là ngưỡng diode bắt đầu dẫn và khi UAK = 0,7V thì dòng qua Diode khoảng vài chục mA.

Nếu Diode còn tốt thì nó không dẫn điện theo chiều ngược cathode sang anode. Thực tế là vẫn tồn tại dòng ngược nếu điốt bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn. Tuy nhiên dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ μA) và thường không cần quan tâm trong các ứng dụng công nghiệp. Mọi điốt chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược nhưng nếu điện áp ngược quá lớn (VBR là ngưỡng chịu đựng của Diode) thì điốt bị đánh thủng, dòng điện qua điốt tăng nhanh và đốt cháy điốt. Vì vậy khi sử dụng cần tuân thủ hai điều kiện sau đây:

  • Dòng điện thuận qua điốt không được lớn hơn giá trị tối đa cho phép (do nhà sản xuất cung cấp, có thể tra cứu trong các tài liệu của hãng sản xuất để xác định).
  • Điện áp phân cực ngược (tức UKA) không được lớn hơn VBR (ngưỡng đánh thủng của điốt, cũng do nhà sản xuất cung cấp).

Ví dụ: Diode 1N4007 có thông số kỹ thuật do hãng sản xuất cung cấp như sau: VBR = 1000V, IFmax = 1A, VF¬ = 1.1V khi IF = IFmax. Những thông số trên cho biết:

  • Dòng điện thuận qua điốt không được lớn hơn 1A.
  • Điện áp ngược cực đại đặt lên điốt không được lớn hơn 1000V.
  • Điện áp thuận (tức UAK) có thể tăng đến 1,1V nếu dòng điện thuận bằng 1A. Cũng cần lưu ý rằng đối với các điốt chỉnh lưu nói chung thì khi UAK = 0,6V thì điốt đã bắt đầu dẫn điện và khi UAK = 0,7V thì dòng qua điốt đã đạt đến vài chục mA.

6. Phương pháp đo kiểm tra Diode

Hình 18. Phương pháp đo kiểm tra Diode.

Đặt đồng hồ ở thang x1Ω, đặt hai que đo vào hai đầu Diode, nếu:

  • Đo chiều thuận que đen vào Anode, que đỏ vào Cathode ⇒ kim lên, đảo chiều đo kim không lên là ⇒ Diode tốt.
  • Nếu đo cả hai chiều kim lên bằng 0Ω ⇒ Diode bị chập.
  • Nếu đo thuận chiều mà kim không lên ⇒ Diode bị đứt.
  • Ở phép đo trên thì Diode D1 tốt, Diode D2 bị chập và D3 bị đứt
  • Nếu để thang 1kΩ mà đo ngược vào Diode kim vẫn lên một chút là Diode bị dò.

7. Các thông số quan trọng khi sử dụng diode

  • Dòng điện định mức đi qua diode: Đây là thông số cần quan tâm đầu tiên trước khi chúng ta sử dụng diode trong mạch điện. Mỗi một diode chỉ cho phép một dòng điện tối đa nào đó đi qua. Dòng điện định mức này còn được gọi là IF. Nếu mắc diode trong mạch điện có dòng điện lớn hơn IF của nó thì diode sẽ chết.

Ví dụ diode chỉnh lưu 1n4007 có IF = 1A. Xem bảng ở dưới.

Hình 19. Hai thông số quan trọng khi sử dụng diode.

  • Điện áp ngược chịu đựng: Khi phân cực ngược, diode sẽ không cho dòng điện đi qua nhưng đồng nghĩa nó phải chịu một điện áp ngược dồn vào giữa hai đầu Katot và Anot. Giả sử bạn có một nguồn điện một chiều  có giá trị điện áp khoảng 60V.  Bạn chỉ cần cho một diode 1n4001 đấu Anode với (-) nguồn và đấu Cathode với (+) nguồn thì diode này sẽ bị phá hủy ngay mặc dù nó không dẫn điện vì phân cực ngược nhưng điện áp ngược chịu đựng của nó chỉ là 50V (xem ở bảng dưới). Điện áp ngược chịu đựng của mỗi diode được ghi trong datasheet và ký hiệu là VRRM.
  • Tần số đáp ứng của diode: Mỗi một diode chỉ hoạt động ở một tần số tín hiệu cho phép. Nếu một diode chỉ chịu được ở tần số thấp mà mắc vào mạch điện cao tần thì diode sẽ hỏng.

8. Đặc tuyến Volt – Ampere

Hình 20. Đặc tuyến Volt-Ampere của một diode bán dẫn lý tưởng.

Đặc tuyến Volt – Ampere của Diode là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng điện qua điốt theo điện áp UAK đặt vào nó. Có thể chia đặc tuyến này thành hai giai đoạn:

  • Giai đoạn ứng với UAK = 0,7V > 0 mô tả quan hệ dòng áp khi điốt phân cực thuận.
  • Giai đoạn ứng với UAK = 0,7V < 0 mô tả quan hệ dòng áp khi điốt phân cực nghịch.

(UAK lấy giá trị 0,7V chỉ đúng với các điốt Si, với điốt Ge thông số này khác)

Khi diode được phân cực thuận và dẫn điện thì dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của mạch ngoài (được mắc nối tiếp với điốt). Dòng điện phụ thuộc rất ít vào điện trở thuận của điốt vì điện trở thuận rất nhỏ, thường không đáng kể so với điện trở của mạch điện.

9. Ứng dụng của Diode

Chúng ta cùng điểm qua một vài ứng dụng của diode nhé!

  • Dùng để chỉnh lưu dòng điện: Biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.

Vì diode có đặc tính chỉ dẫn điện theo một chiều từ anode đến cathode khi phân cực thuận nên điốt được dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.

Hình 21. Mach chỉnh lưu biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.

Ngoài ra diode có nội trở thay đổi rất lớn, nếu phân cực thuận RD 0 (nối tắt), phân cực nghịch RD (hở mạch), nên điốt được dùng làm các công tắc điện tử, đóng ngắt bằng điều khiển mức điện áp. Diode chỉnh lưu dòng điện, giúp chuyển dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, điều đó có ý nghĩa rất lớn trong kĩ thuật điện tử. Vì vậy diode được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử.

  • Dùng để giảm áp

Ta biết rằng sau khi dòng điện đi qua diode thì mỗi một diode sẽ gây ra một sụt áp trên nó. Trong nhiều trường hợp người ta sử dụng đặc tính này để giảm áp. Ví dụ bạn có một cái đài chạy 3V mà có cục sạc 5V thì bạn có thể đấu nối tiếp 3 con diode với nhau rồi đấu với đầu 5V. Tại đầu ra cuối cùng của diode có một điện áp khoảng gần bằng 3V.

Hình 22. Giảm 5V xuống gần 3V bằng 3 diode nối tiếp.

  • Dùng để bảo vệ chống cắm nhầm cực

Rất nhiều thiết bị điện tử một chiều không cho phép cấp nguồn ngược cực. Nếu ngược cực thì thiết bị sẽ hỏng ngay. Để bảo vệ thiết bị được an toàn người ta đấu thêm vào một diode trước khi bắt ra cực của thiết bị để chỉ cho phép dòng điện đi theo một chiều duy nhất. Khi đó dù bạn có cấp nguồn ngược cực tính thì thiết bị vẫn được an toàn.

Hình 23. Diode bảo vệ chống cắm nhầm cực.

Trần Lê Mân

error: Real Group - Efficiency Projects