Diode là gì? Cấu tạo, phân loại, cách đo và ứng dụng của Diode

Diode là 1 loại linh kiện điện tử được dùng phổ thông nhất trong tất cả các mạch, thiết bị điện tử nào cũng không thể thiếu được. Vậy chúng ta hay cùng tìm hiểu về nó trong bài viết này

[toc]

Diode là gì?

Điốt (Diode) là một linh kiện điện tử bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều duy nhất mà không chạy ngược lại. 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.

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 khuếch 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.

Mối tiếp xúc P – N  => Cấu tạo của Diode .

* Ở hình trên là mối tiếp xúc P – N và cũng chính là cấu tạo của Diode bán dẫn.

Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn.

Video chia sẻ về Diode

Phân cực thuận cho Diode

Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt ( vùng bán dẫn P ) và điện áp âm (-) vào Katôt ( 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 )

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

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 .

Phân cực ngược cho Diode.

Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+)  vào Katôt (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.

Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng > = 1000V

Cách đo và kiểm tra Diode còn tốt hay không

Đo kiểm tra Diode

• • Đặt đồng hồ ở thang x 1Ω , đặt hai que đo vào hai đầu Diode, nếu :

• • Đo chiều thuận que đen  vào Anôt, que đỏ vào Katôt => kim lên, đảo chiều đo kim không lên là => Diode tốt

• • Nếu đo cả hai chiều kim lên = 0Ω  => là Diode bị chập.

• • Nếu đo thuận chiều mà kim không lên => là 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.

Ứng dụng của Diode bán dẫn .

* 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 có dạng .

Phân loại loại Diode

–  Diode Zener

* Cấu tạo : Diode Zener có cấu tạo tương tự Diode thường nhưng có hai lớp bán dẫn P – N ghép với nhau, Diode Zener được ứng dụng trong chế độ phân cực ngược, khi phân cực thuận Diode zener như diode thường nhưng khi phân cực ngược Diode zener sẽ gim lại một mức điện áp cố định bằng giá trị ghi trên diode.

Ký hiệu và ứng dụng của Diode zener trong mạch.

• • Sơ đồ trên minh hoạ ứng dụng của Dz, nguồn U1 là nguồn có điện áp thay đổi, Dz là diode ổn áp, R1 là trở hạn dòng.

• • Ta thấy rằng khi nguồn U1 > Dz thì áp trên Dz luôn luôn cố định cho dù nguồn U1 thay đổi.

• • Khi nguồn U1 thay đổi thì dòng ngược qua Dz thay đổi, dòng ngược qua Dz có giá trị giới hạn khoảng 30mA.

• • Thông thường người ta sử dụng nguồn U1 > 1,5 => 2 lần Dz và lắp trở hạn dòng R1 sao cho dòng ngược lớn nhất qua Dz
    < 30mA.

Nếu U1 < Dz thì khi U1 thay đổi áp trên Dz cũng thay đổi
Nếu  U1 > Dz thì khi U1 thay đổi => áp trên Dz không đổi.

–  Diode Thu quang ( Photo Diode )

Diode thu quang hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vỏ diode có một miếngthu ỷ 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.

Ký hiệu của Photo Diode

Minh hoạ sự hoạt động của Photo Diode

–  Diode Phát quang ( Light Emiting Diode : LED )

Diode phát phang là Diode phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận, điện áp làm việc của LED khoảng 1,7 => 2,2V dòng qua Led khoảng từ 5mA đến 20mA
Led được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện . vv…

– Diode Varicap ( Diode biến dung )

Diode biến dung là Diode có điện dung như tụ điện, và điện dung biến đổi khi ta thay đổi điện áp ngược đặt vào Diode.

Ứng dụng của Diode biến dung Varicap ( VD )
trong mạch cộng hưởng

• • Ở hình trên  khi ta chỉnh triết áp VR, điện áp ngược đặt vào Diode Varicap thay đổi , điện dung của diode thay đổi
    => làm thay đổi tần số công hưởng của mạch.

• • Diode biến dung được sử dụng trong các bộ kênh Ti vi mầu, trong các mạch điều chỉnh tần số cộng hưởng bằng điện áp.

–  Diode xung

Trong các bộ nguồn xung thì ở đầu ra của biến áp xung , ta phải dùng Diode xung để chỉnh lưu. diode xung là diode làm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz , diode nắn điện thông thường không thể thay thế vào vị trí diode xung được, nhưng ngựơc lại diode xung có thể thay thế cho vị trí diode thường, diode xung có giá thành cao hơn diode thường nhiều lần.
Về đặc điểm , hình dáng thì Diode xung không có gì khác biệt với Diode thường,  tuy nhiên Diode xung thường có vòng dánh dấu đứt nét hoặc đánh dấu bằng hai vòng

Ký hiệu của Diode xung

– Diode tách sóng

Là loại Diode nhỏ vở bằng thuỷ tinh và còn gọi là diode tiếp điểm vì mặt tiếp xúc giữa hai chất bán dẫn P – N tại một điểm để tránh điện dung ký sinh, diode tách sóng thường dùng trong các mạch cao tần dùng để tách sóng tín hiệu.

– Diode nắn điện ( Diode chỉnh lưu)

Là Diode tiếp mặt dùng để nắn điện trong các bộ chỉnh lưu nguồn AC 50Hz

– Diode cầu

Là diode mà cấu tạo bên trong gồm 4 hoặc 6 con diode để chỉnh lưu 1 pha hoặc 3 pha xoay chiều ra điện áp DC

Diode là gì? Hoạt động và ứng dụng của diode trong các mạch điện tử như thế nào? Có bao nhiêu loại diode? Tại sao diode là một linh kiện điện tử được sử dụng rất phổ biến trong các mạch điện tử? Đây là những câu hỏi mà những người mới học điện tử rất quan tâm. Bài viết này sẽ giúp các bạn trả lời các câu hỏi này.

 

Diode là gì?

Diode (phiên âm tiếng Việt là đi-ốt) hay còn được gọi là diode bán dẫn là một loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại.

 

Cấu tạo

Điốt bán dẫn có cấu tạo gồm 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.

Cấu tạo của diode

Ký hiệu

Diode có 2 đầu và được phân cực, có nghĩa là 2 đầu này khác nhau rõ rệt. Điều quan trọng là bạn không được nhầm lẫn 2 đầu của diode khi kết nối mạch. Đầu dương của diode được gọi là cực Anode và đầu âm được gọi là cực Cathode. Dòng điện chảy qua diode chỉ đi theo một chiều từ Anode sang Cathode.

Ký hiệu của diode trên sơ đồ

Ký hiệu của diode cho thấy rằng dòng điện chạy qua diode theo hướng tam giác/mũi tên đang trỏ, dòng điện không thể đi theo chiều ngược lại.

Trên đây là một vài ví dụ mạch đi-ốt đơn giản. Ở bên trái, đi-ốt D1 được phân cực thuận và cho phép dòng điện chạy qua mạch. Về bản chất nó giống như mạch được nối tắt nếu diode được xem như lý tưởng. Ở bên phải, đi-ốt D2 bị phân cực ngược. Dòng điện không thể chảy qua mạch, và về cơ bản nó giống như trường hợp mạch bị hở.

Ứng dụng

Do tính chất dẫn điện một chiều nên đi-ốt 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.

Một số loại diode thường dùng

Diode tín hiệu

Một đi-ốt 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. 

Chúng thường có điện áp phân cực thuận trung bình và định mức dòng điện cực đại thấp. Một ví dụ phổ biến của một điốt tín hiệu là 1N4148. Đi-ốt này có điện áp phân cực thuận là 0,72V và định mức dòng điện cực đại là 300mA.

Hình trên cho thấy một đi-ốt tín hiệu nhỏ, 1N4148. Chú ý vòng tròn màu đen xung quanh đi-ốt, vòng tròn này cho biết cực nào là cực âm (cực cathode).

Diode chỉnh lưu

Cấu tạo bởi chất bán dẫn Silic hoặc Gecmani có pha thêm một số chất để tăng thêm số lượng electron tự do. Loại này dùng chủ yếu để chỉnh lưu dòng điện hoặc trong mạch tách sóng.

Một đi-ốt chỉnh lưu hay đi-ốt công suất là một đi-ốt tiêu chuẩn có thông số dòng điện tối đa cao hơn nhiều. Thông số dòng điện cao hơn thường đi kèm với điện áp phân cực thuận lớn hơn. Ví dụ, 1N4001 chịu được dòng điện tối đa 1A và điện áp phân cực thuận là 1.1V.

Hình trên cho thấy hình dạng của đi-ốt 1N4001. Vạch màu xám trên thân đi-ốt cho biết đó chính là cực cathode.

Diode Schottky: Ở tần số thấp, đi-ốt thông thường có thể dễ dàng khóa lại (ngưng dẫn) khi chiều phân cực thay đổi từ thuận sang nghịch, nhưng khi tần số tăng đến một ngưỡng nào đó, sự ngưng dẫn không thể đủ nhanh để ngăn chặn dòng điện suốt một phần của bán kỳ ngược. Đi-ốt Schottky khắc phục được hiện tượng này.

Diode Zener 

Diode Zener còn gọi là “đi-ốt đánh thủng” hay “đi-ốt ổn áp” là những diode khác biệt so với dòng đi-ốt thông thường. Chúng thường được sử dụng ở chế độ phân cực 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 chạy qua zener, điện áp trên đi-ốt sẽ cố định ở một giá trị không đổi và bằng với điện áp đánh thủng.

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 và bằng với điện áp Zener. Chúng có thể được sử dụng trong mạch ổn áp công suất nhỏ, nhưng không được sử dụng trong các mạch điều chỉnh điện áp vì sẽ tiêu hao một lượng lớn dòng điện.

Dưới đây là một đi-ốt zener 3.3V hoạt động để tạo ra một điện áp tham chiếu 3.3V không đổi:

Diode phát quang – LED (Light Emitting Diode) 

LED chính là các đi-ốt có khả năng phát ra ánh sáng khi có một điện áp dương đặt vào.

Cũng giống như đi-ốt chỉnh lưu, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N và chỉ cho phép dòng điện chạy qua theo một hướng. 

Chúng cũng có một thông số điện áp phân cực thuận, đó chính là điện áp cần thiết để cho LED sáng. Thông số V_F của đèn LED thường lớn hơn so với đi-ốt thông thường (1,2 ~ 3V) và tùy thuộc vào màu sắc mà LED phát ra. Ví dụ, điện áp phân cực thuận của đèn LED siêu sáng màu xanh là khoảng 3.3V, trong khi đó đèn LED siêu sáng màu đỏ có cùng kích thước chỉ là 2.2V.

Diode quang – Photodiode là loại nhạy với ánh sáng, có thể biến đổi ánh sáng vào thành đại lượng điện, thường sử dụng ở các máy ảnh (đo cường độ sáng), sử dụng trong các mạch điều khiển (kết hợp một đi-ốt phát quang và một đi-ốt quang thành một cặp), các module đầu ra của các PLC…

Diode biến dung – Varicap Có tính chất đặc biệt, đó là khi phận cực nghịch, đi-ốt 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.

Các thông số kỹ thuật cần quan tâm

Dòng điện định mức: Là dòng điện hoạt động giới hạn của đi-ốt, nếu đi-ốt làm việc với dòng điện cao hơn giá trị định mức này thì đi-ốt sẽ bị hỏng.

Điện áp rơi trên diode khi phân cực thuận V_F: Khi có dòng điện chạy qua đi-ốt thì giữa hai chân Anode và Cathode có một điện thế , điện thế này gọi là điện áp rơi trên diode gọi là V_F hay V_AK. Thông thường điện áp này có giá trị từ 0.3 đến 0.8 V.

Tần số hoạt động: Là tần số đối đa đi-ốt có thể làm việc được. Quá tần số này thì đi-ốt sẽ hỏng

Điện áp ngược tối đa mà diode có thể chịu được: Trong mạch điện thì đi-ốt 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 V_KA (điện áp ngược ) quá lớn sẽ làm diode bị đứt hoặc nổ thành than.

Ứng dụng của diode

Mạch chỉnh lưu

Mạch chỉnh lưu là mạch chuyển đổi dòng xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC). Việc chuyển đổi này là rất quan trọng đối với tất cả các loại thiết bị điện tử gia dụng vì các thiết bị này chỉ sử dụng điện một chiều trong khi điện áp lưới là điện áp xoay chiều . 

Mạch chỉnh lưu bán kỳ có thể được tạo ra chỉ với một đi-ốt. Ví dụ, nếu điện áp đưa vào mạch là điện áp xoay chiều, dạng hình sin khi qua mạch chỉnh lưu bán kỳ thì phần điện áp âm sẽ bị xén đi.

Mạch chỉnh lưu toàn kỳ sử dụng bốn đi-ốt để chuyển đổi những phần điện áp âm trong tín hiệu AC thành các khối dương.

Các mạch này là một thành phần quan trọng trong các bộ nguồn, biến điện áp xoay chiều 120/240VAC từ ổ cắm điện thành các điện áp DC, 5V, 12V, vv.

Bảo vệ dòng điện ngược

Có bao giờ bạn cấp nguồn cho mạch bị sai cực tính vì nhầm lẫn giữa dây đen và dây đỏ chưa? Nếu vậy, nhờ một đi-ốt mà mạch của bạn vẫn còn sống. Một đi-ốt được mắc nối tiếp với cực dương của nguồn điện được gọi là đi-ốt bảo vệ dòng ngược. Đi-ốt này có nhiệm vụ chỉ cho phép dòng điện chảy theo chiều dương và nguồn điện chỉ cung cấp điện áp dương cho mạch.

Ứng dụng đi-ốt này rất hữu ích khi đầu nối nguồn điện không được phân cực, làm cho bạn bị nhầm lẫn và vô tình kết nối nguồn âm với nguồn dương của mạch ngõ vào.

Hạn chế của diode bảo vệ dòng ngược là nó sẽ gây ra một ít tổn thất điện áp do rơi áp điện áp phân cực thuận. Điều này làm cho diode Schottky trở thành một lựa chọn tuyệt vời cho đi-ốt bảo vệ dòng ngược.

Các cổng logic

Các cổng logic đơn giản như NOT, AND, OR,…có thể được tạo ra từ đi-ốt.

Ví dụ, một cổng OR hai ngõ vào có thể được xây dựng từ hai đi-ốt với các cực cathode được nối chung. Ngõ ra của mạch logic cũng được đặt tại nút đó. Bất cứ khi nào một trong hai ngõ vào (hoặc cả hai) có mức logic 1 (mức cao / 5V), ngõ ra của mạch cũng có mức logic 1. Khi cả hai ngõ vào có mức logic 0 (mức thấp / 0V), ngõ ra được kéo xuống mức thấp thông qua điện trở.

Cổng AND được xây dựng theo cách tương tự. Các cực anode của cả hai đi-ốt được kết nối lại với nhau, đó cũng chính là ngõ ra của mạch. Khi cả hai ngõ vào cùng có mức logic 1 thì cả 2 đi-ốt đều không dẫn điện và ngõ ra của mạch sẽ ở mức cao. Nếu một trong hai ngõ vào mức thấp, dòng điện sẽ chạy từ nguồn 5V qua đi-ốt.