Điốt là một loại linh kiện điện tử được dùng phổ biến trong các mạch điện tử, thiết bị điện tử nào cũng không thể thiếu được. Hãy cùng Linh Kiện Miền Tây tìm hiểu chi tiết về linh kiện này nhé!

Điốt là gì?

Điốt (Diode) bán dẫn hay còn gọi là Điốt, 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.

Mạch chỉnh lưu là một mạch điện điện tử chứa các linh kiện điện tử có tác dụng biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Mạch chỉnh lưu được dùng trong các bộ nguồn một chiều hoặc mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến trong các thiết bị vô tuyến. Trong mạch chỉnh lưu thường chứa các Điốt bán dẫn để điều khiển dòng điện và các đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác.

Điốt là linh kiện bán dẫn đầu tiên. Khả năng chỉnh lưu của tinh thể được nhà vật lý người Đức Ferdinand Braun phát hiện năm 1874. Điốt bán dẫn đầu tiên được phát triển vào khoảng năm 1906 được làm từ các tinh thể khoáng vật như galena. Ngày nay hầu hết các đi ốt được làm từ silic, nhưng các chất bán dẫn khác như selen hoặc germani thỉnh thoảng cũng được sử dụng.

Các điốt tín hiệu và chuyển mạch nhỏ có công suất và xếp hạng dòng điện thấp hơn nhiều, khoảng 150mA, tối đa 500mW so với điốt chỉnh lưu, nhưng chúng có thể hoạt động tốt hơn trong các ứng dụng tần số cao hoặc trong các ứng dụng cắt và chuyển đổi xử lý các dạng sóng xung thời gian ngắn.

Phân loại điốt

Một số điốt thông dụng trên thị trường hiện nay:

Điốt chỉnh lưu (điốt nắn điện)

Thường hoạt động ở dải tần thấp, chịu được dòng điện lớn và có áp ngược chịu đựng dưới 1000V. Những Điốt này chủ yếu để dùng chỉnh lưu dòng điện xoay chiều sang một chiều.

Xem sản phẩm!

Điốt xung

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

Xem sản phẩm!

Điốt zener

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

• Sơ đồ trên minh hoạ ứng dụng của Dz, nguồn U1 là nguồn có điện áp thay đổi, Dz là điốt 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.

Xem sản phẩm!

Điốt thu quang (Photo diode)

Điốt thu quang hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vỏ điốt có một miếng thuỷ tinh để ánh sáng chiếu vào mối P – N , dòng điện ngược qua điốt tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào điốt.

Điốt phát quang (Light emiting diode – LED)

Điốt phát phang (LED) là điốt 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 – 20mA. LED được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện,…

Điốt biến dung (Diode varicap)

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

• Ở hình trên khi ta chỉnh triết áp VR, điện áp ngược đặt vào điốt biến dung thay đổi, điện dung của điốt thay đổi => làm thay đổi tần số công hưởng của mạch.
• Điốt biến dung được sử dụng trong các bộ kênh ti vi màu, trong các mạch điều chỉnh tần số cộng hưởng bằng điện áp.

Điốt tách sóng

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

Điốt cầu

Điốt cầu là điốt mà cấu tạo bên trong gồm 4 hoặc 6 con điốt để chỉnh lưu 1 pha hoặc 3 pha xoay chiều ra điện áp DC.

Xem sản phẩm!

Ký hiệu điốt trong sơ đồ mạch điện

Dưới đây là ký hiệu một số điốt thường dùng hiện nay:

Nguyên lý hoạt động của điốt

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 điốt làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với điốt làm bằng bán dẫn Ge.

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 điốt.

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 điốt chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định.

Điốt 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 điốt 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 U_AK > 0 và ngược chiều với điện áp tiếp xúc (U_{tiếp xúc}). Như vậy muốn có dòng điện qua điốt 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 điốt.

Khi U_AK > 0, ta nói điốt phân cực thuận và dòng điện qua điốt 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 U_AK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì điốt trở nên dẫn điện rất tốt, tức là điện trở của điốt 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 U_{tiếp xúc}. Thông thường phần điện áp dùng để cân bằng với U_{tiếp 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 điốt khoảng 0.6V đến 1.1V. Ngưỡng 0.6V là ngưỡng điốt bắt đầu dẫn và khi U_AK = 0.7V thì dòng qua điốt khoảng vài chục mA.

Các nguyên tắc cần tuân thủ khi sử dụng điốt

Nếu điốt 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 điốt) thì điốt bị đánh thủng, dòng điện qua điốt tăng nhanh và đốt cháy điốt. Vì vậy khi sử dụng cần tuân thủ các 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 U_KA) không được lớn hơn VBR (ngưỡng đánh thủng của điốt, cũng do nhà sản xuất cung cấp).

Ví dụ: Điốt 1N4007 có thông số kỹ thuật do hãng sản xuất cung cấp như sau: VBR=1000V, IF_max = 1A, VF = 1.1V khi IF = IF_max. 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 U_AK)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 U_AK = 0.6V thì điốt đã bắt đầu dẫn điện và khi U_AK = 0.7V thì dòng qua điốt đã đạt đến vài chục mA.

Những ứng dụng của điốt

Sẽ có rất nhiều đi điốt khác nhau với các môi trường và phạm vi ứng dụng khác nhau, tuy nhiên sau đây là những ứng dụng phổ biến của điốt:

• Dùng để chỉnh lưu dòng điện: Biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
• Dùng để giảm áp: Ta biết rằng sau khi dòng điện đi qua điốt thì mỗi một điốt 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 điốt với nhau rồi đấu với đầu 5V . Tại đầu ra cuối cùng của điốt có một điện áp khoảng gần bằng 3V.
• 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 điốt 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.