Diode là một linh kiện điện tử chuyên dụng hoạt động như một công tắc một chiều. Diode chỉ dẫn dòng điện theo một hướng và giới hạn dòng điện theo hướng ngược lại. Diode bị phân cực ngược khi nó hoạt động như một chất cách điện và bị phân cực thuận khi nó cho phép dòng điện chạy qua. Diode có cực dương và cực âm. Ứng dụng của diode bao gồm công tắc, bộ điều biến, bộ trộn, bộ chuyển đổi nguồn, bộ giới hạn, bộ điều chỉnh điện áp, bộ dao động và bộ giải điều biến.

Điốt trong phân cực thuận

Điện áp được áp dụng cho cực dương là dương so với cực âm. Ngoài ra, điện áp trên diode cao hơn điện áp ngưỡng, do đó nó hoạt động như một mạch ngắn và cho phép dòng điện chạy qua.

Điốt phân cực ngược

Nếu cực âm được đặt dương so với cực dương, điốt sẽ bị phân cực ngược và hoạt động như một mạch hở, dẫn đến không có dòng điện chạy qua nó.

Điốt được sử dụng để làm gì?

1. Hệ thống bảo vệ dòng điện ngược

Điốt chặn được sử dụng trong một số mạch để bảo vệ trong trường hợp kết nối ngược vô tình, chẳng hạn như kết nối nguồn điện DC sai cách hoặc đảo ngược cực tính của nó. Dòng điện chạy sai hướng có thể làm hỏng các thành phần khác của mạch.

Diode bảo vệ dòng điện ngược

Hình trên cho thấy một diode chặn được kết nối nối tiếp với tải và cực dương của nguồn cung cấp. Trong trường hợp kết nối ngược, sẽ không có dòng điện nào chạy qua vì diode sẽ ở chế độ phân cực ngược. Tải sẽ được bảo vệ khỏi dòng điện ngược. Tuy nhiên, nếu cực tính đúng, diode sẽ ở chế độ phân cực thuận và do đó dòng điện tải sẽ chạy qua.

2. Bộ điều chỉnh điện áp đơn giản

Bộ điều chỉnh điện áp được sử dụng để giảm điện áp đầu vào xuống mức mong muốn và vẫn giữ nguyên ngay cả khi nguồn điện dao động. Chúng cũng có thể được sử dụng để kiểm soát điện áp đầu ra. Điốt Zener thường được sử dụng làm bộ điều chỉnh điện áp vì chúng được thiết kế để hoạt động ở chế độ phân cực ngược. Điốt Zener hoạt động giống như điốt tín hiệu thông thường khi ở chế độ phân cực thuận. Ngược lại, điện áp vẫn không đổi trong một phạm vi rộng của dòng điện khi điện áp ngược được áp dụng cho điốt Zener.

Điốt Zener là bộ ổn áp.

Trong hình trên, dòng điện chạy qua diode bị giới hạn bởi một điện trở nối tiếp được kết nối với mạch. Vì diode được kết nối với cực dương của nguồn cung cấp, nên nó hoạt động như một điện áp ngược cũng có thể hoạt động ở trạng thái đánh thủng. Diode công suất cao thường được sử dụng vì chúng có thể xử lý điện áp ngược cao hơn điện áp đánh thủng. Dòng điện diode Zener sẽ luôn ở mức tối thiểu nếu áp dụng điện áp đầu vào tối thiểu và dòng tải tối đa. Với điện áp đầu vào và điện áp đầu ra mong muốn, chúng ta có thể sử dụng diode Zener có điện áp gần bằng điện áp tải.

3. Bộ điều chỉnh điện áp

Dòng điện chạy qua diode Zener sẽ giảm theo cùng hướng với dòng điện tải khi điện trở tải được kết nối song song với diode Zener. Lượng dòng điện chạy qua diode Zener rất quan trọng vì nó là chìa khóa để ổn định. Khi bạn nhìn vào biểu đồ dòng điện-điện áp của diode Zener, bạn sẽ thấy sự gia tăng nhanh chóng trên điện áp đánh thủng. Điều này chứng tỏ rằng diode Zener phù hợp nhất để ổn định điện áp DC nhỏ. Dòng điện tăng khi điện trở của diode giảm. Do đó, điện áp trên diode Zener gần như giống nhau. Thông thường, một điện trở được kết nối để đảm bảo rằng tổn thất công suất tối đa cho phép không bị vượt quá.

4. Chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều

Điốt thường được sử dụng trong việc xây dựng các loại mạch chỉnh lưu khác nhau, chẳng hạn như chỉnh lưu nửa sóng, chỉnh lưu toàn sóng, chỉnh lưu trung tâm và chỉnh lưu cầu toàn phần. Một trong những ứng dụng chính của điốt là chuyển đổi điện xoay chiều thành điện một chiều.

Trong nửa chu kỳ dương của nguồn cung cấp đầu vào, cực dương chuyển sang cực dương so với cực âm. Điốt ở chế độ phân cực thuận, cho phép dòng điện chạy đến tải. Tuy nhiên, trong nửa chu kỳ âm của sóng sin đầu vào, cực dương chuyển sang cực âm so với cực âm. Do đó, điốt ở chế độ phân cực ngược và không có dòng điện nào chạy đến tải. Điện áp đầu ra là DC xung khi cả điện áp và dòng điện ở phía tải có cùng cực tính. Tải là một điện trở trong nửa chu kỳ dương và điện áp trên điện trở tải bằng với điện áp cung cấp. Dòng điện tải chảy tỷ lệ thuận với điện áp được áp dụng và điện áp sin đầu vào ở tải.

Điốt hoạt động như thế nào?

Điốt là một thiết bị bán dẫn có hai dây dẫn và hoạt động như một cổng một chiều cho dòng điện. Một chất bán dẫn có thể là chất dẫn điện hoặc chất cách điện. Điện trở của nó có thể được kiểm soát bằng cách tăng hoặc giảm điện trở, được gọi là pha tạp. Pha tạp là quá trình thêm các nguyên tử tạp chất vào vật liệu.

Có hai loại vật liệu bán dẫn:

• Vật liệu loại N – Việc bổ sung asen, phốt pho, antimon, bismuth và các nguyên tố tích điện dương khác với số lượng lớn có thể tạo ra vật liệu bán dẫn loại N. Các vật liệu này có nhiều electron hơn. Các hạt này, với nhiều điện tích âm hơn, di chuyển từ vùng tích điện âm sang vùng tích điện dương.
• Vật liệu loại P – Thêm một lượng nhất định nhôm, gali, bo, indi, v.v. có thể tạo ra vật liệu bán dẫn loại P. Những vật liệu này có thêm lỗ rỗng.

Sự hiện diện của các lỗ có nghĩa là không có electron và có điện tích dương. Mỗi khi một electron di chuyển vào một lỗ, nó sẽ tạo ra một lỗ khác phía sau nó. Vì các electron di chuyển theo hướng ngược lại với các electron, nên việc kết hợp các vật liệu loại N và loại P sẽ tạo ra một mối nối PN. Bạn sẽ thấy các vùng cạn kiệt electron ở cả hai bên của mối nối diode. Các vùng này cạn kiệt các electron và lỗ tự do. Các electron từ phía loại N sẽ lấp đầy các lỗ ở phía loại P.

Vùng cạn kiệt là gì?

Vùng cạn kiệt xảy ra khi không có điện áp nào được áp dụng cho diode, do đó các electron từ vật liệu loại N lấp đầy các khoảng trống từ vật liệu loại P dọc theo ranh giới giữa các lớp. Trong vùng đó, vật liệu loại N hoặc loại P trở lại trạng thái cách điện ban đầu của nó. Điện không thể chảy vào vùng cạn kiệt vì tất cả các khoảng trống đều được lấp đầy và không có electron hoặc không gian trống nào cho điện.

Bạn sẽ thấy mối nối PN khi các lỗ di chuyển từ phía P sang vật liệu loại N, để lộ các điện tích âm. Sau đó, bạn sẽ thấy các lỗ và electron khuếch tán sang phía bên kia. Sau đó, một vùng cạn kiệt sẽ bắt đầu hình thành.

Điốt mục đích đặc biệt

Điốt Zener

Điốt Zener bao gồm một mối nối PN pha tạp mạnh dẫn dòng điện theo hướng ngược lại khi đạt đến điện áp quy định. Chúng cũng cho phép dòng điện chạy theo hướng thuận hoặc ngược. Điốt Zener thường được sử dụng trong bộ triệt xung, bộ điều chỉnh điện áp, phần tử tham chiếu và các ứng dụng chuyển mạch và ngắt kết nối khác.

Điốt Schottky

Điốt Schottky có độ sụt điện áp thuận thấp nhưng chuyển mạch rất nhanh. Một mối nối kim loại-bán dẫn hình thành giữa kim loại và chất bán dẫn, tạo ra một rào cản Schottky. Độ sụt điện áp trên các đầu cực của điốt trở nên nhỏ khi dòng điện chạy qua điốt. Độ sụt điện áp càng thấp thì hiệu suất của hệ thống càng tốt và tốc độ chuyển mạch càng nhanh. Các ứng dụng phổ biến của điốt Schottky là trong tần số vô tuyến, bộ chuyển đổi điện năng trong một số ứng dụng điện năng và bộ trộn.

Bộ chỉnh lưu diode

Điốt chỉnh lưu có thể bị phân cực hoặc không bị phân cực. Điốt chỉnh lưu bị phân cực khi không có điện áp nào được áp dụng. Trong thời gian này, phía P có hầu hết các lỗ mang điện tích và rất ít electron, trong khi phía N có hầu hết các electron và rất ít lỗ. Ngược lại, một điốt bị phân cực thuận khi cực dương của nguồn điện áp được kết nối với phía loại P và cực âm được kết nối với phía loại N. Một điốt bị phân cực ngược khi cực dương của nguồn điện áp được kết nối với đầu loại N và cực âm của nguồn điện áp được kết nối với đầu loại P của điốt. Không có dòng điện nào chạy qua điốt, ngoại trừ dòng điện bão hòa ngược, vì lớp cạn kiệt của mối nối mở rộng khi điện áp phân cực ngược tăng. Điốt chỉnh lưu thường được sử dụng làm linh kiện trong bộ nguồn chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC.

Điốt tín hiệu

Điốt tín hiệu thường được sử dụng trong các ứng dụng phát hiện tín hiệu và thường có định mức dòng điện đỉnh thấp và điện áp chuyển tiếp trung bình đến cao. Một ứng dụng phổ biến của điốt tín hiệu là công tắc điốt cơ bản.

Điốt germani

Điốt Germanium có độ sụt điện áp thuận thấp, thường vào khoảng 0,3 vôn. Độ sụt điện áp thuận thấp này dẫn đến tổn thất điện năng ít hơn và hiệu suất cao hơn, khiến chúng vượt trội hơn điốt silicon theo nhiều cách. Điốt Germanium ngày càng trở nên quan trọng trong môi trường tín hiệu rất thấp, chẳng hạn như trong cảm biến tín hiệu từ âm thanh đến tần số FM và trong mạch logic cấp thấp. Điốt Germanium có dòng rò rỉ cao hơn ở điện áp ngược so với điốt silicon.

Điốt rời rạc

Điốt nối là một trong những loại thiết bị bán dẫn đơn giản nhất, nhưng không giống như các điốt khác, nó không có hành vi tuyến tính đối với điện áp được áp dụng. Điốt có mối quan hệ dòng điện-điện áp theo cấp số nhân, xảy ra khi một chất bán dẫn loại P kết hợp với một chất bán dẫn loại N, tạo ra một rào cản điện thế trên mối nối của điốt.

Ba điều kiện “thiên vị” có thể có đối với một diode nối chuẩn

• Phân cực thuận – Điện áp được kết nối âm với vật liệu loại N và dương với vật liệu loại N trên diode, làm giảm chiều rộng diode tại tiếp giáp PN.
• Phân cực ngược – Điện áp được ghép nối dương với vật liệu loại N và âm với vật liệu loại P trên diode, làm tăng chiều rộng của diode tại tiếp giáp PN.
• Không có độ lệch – Không có điện áp bên ngoài nào được áp dụng cho diode tiếp giáp PN.

Hy vọng bài viết này đã giúp bạn hiểu rõ hơn về diode và cách hoạt động của chúng.