diode

Diode: Chiếc chìa khóa cho mạch điện tử một chiều

Diode là một linh kiện điện tử bán dẫn hai cực, có khả năng cho dòng điện đi qua theo một chiều và chặn dòng điện theo chiều ngược lại. Nó đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng điện tử, từ chỉnh lưu dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) đến bảo vệ mạch điện tử khỏi hư hỏng.

1. Cấu tạo của diode

Diode được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn ghép nối với nhau, tạo thành một mối nối p-n. Hai lớp bán dẫn này được tạo ra bằng cách pha tạp các nguyên tố khác nhau vào silicon nguyên chất.

  • Lớp bán dẫn loại P: Lớp này được pha tạp với nguyên tố có nhiều lỗ trống (thường là Boron) để tạo ra điện tích dương.
  • Lớp bán dẫn loại N: Lớp này được pha tạp với nguyên tố có nhiều electron tự do (thường là Phosphorus) để tạo ra điện tích âm.

Khi hai lớp bán dẫn loại P và N tiếp xúc với nhau, tạo ra tiếp giáp p-n. Tại tiếp giáp p-n, các electron từ lớp N sẽ khuếch tán sang lớp P, kết hợp với các lỗ trống ở đó. Quá trình này tạo ra một vùng nghèo điện tích, nơi không có cả electron tự do và lỗ trống. Do sự khuếch tán electron từ lớp N sang lớp P, lớp N sẽ tích điện dương và lớp P sẽ tích điện âm. Hiệu điện thế giữa hai lớp bán dẫn được gọi là điện thế khuếch tán. Điện thế khuếch tán này tạo ra một rào cản điện, ngăn cản dòng điện di chuyển ngược chiều.

Cực kết nối với lớp bán dẫn P được gọi là Anode hay chân dương của diode. Cực kết nối với lớp bán dẫn N được gọi là Cathode hay chân âm của diode.

2. Nguyên lý hoạt động của Diode

  • Phân cực thuận (Forward bias): Khi điện áp dương được đặt vào cực dương (Anode) và điện áp âm được đặt vào cực âm (Cathode) của diode, điện áp này sẽ làm giảm điện thế khuếch tán, tạo điều kiện cho dòng điện di chuyển dễ dàng qua diode.
  • Phân cực ngược (Reverse bias): Khi điện áp âm được đặt vào cực dương (Anode) và điện áp dương được đặt vào cực âm (Cathode), điện áp này sẽ làm tăng điện thế khuếch tán, tạo ra rào cản điện lớn hơn, ngăn cản dòng điện di chuyển qua diode.

Để phân tích hoạt động của diode trong các mạch điện tử, người ta sử dụng ba mô hình xấp xỉ chính như sau:

a. Mô hình xấp xỉ thứ nhất:

Mô hình này giả định rằng diode là một công tắc lý tưởng, chỉ cho phép dòng điện đi qua theo một chiều và hoàn toàn chặn dòng điện theo chiều ngược lại. Mô hình này đơn giản và dễ sử dụng, nhưng nó không hoàn toàn chính xác khi mô tả hoạt động của diode trong thực tế.

Diode-First-Approximation

b. Mô hình xấp xỉ thứ hai:

Trong mô hình xấp xỉ thứ hai, diode được coi là diode phân cực thuận nối tiếp với pin để bật thiết bị. Để diode silicon bật, nó cần 0,7V. Điện áp 0,7V trở lên được cấp để bật diode phân cực thuận. Diode sẽ tắt nếu điện áp nhỏ hơn 0,7V.

second-diode-approximation

c. Mô hình xấp xỉ thứ ba:

Mô hình xấp xỉ thứ ba của diode bao gồm điện áp trên diode và điện áp trên khối điện trở RB. Khối điện trở thấp, chẳng hạn như nhỏ hơn 1 ohm và luôn nhỏ hơn 10 ohm. RB tương ứng với điện trở của vật liệu p và n. Điện trở này thay đổi dựa trên lượng điện áp chuyển tiếp và dòng điện chạy qua diode tại bất kỳ thời điểm nào.

Diode-Third-approximation

Độ giảm điện áp trên diode được tính bằng công thức

Vd = 0,7V + Id *RB

Và nếu RB < 1/100 RTh hoặc RB < 0,001 RTh, chúng ta bỏ qua điều đó

3. Phân loại diode

Diode được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên cấu tạo, chức năng và ứng dụng. Một số loại diode phổ biến bao gồm:

  • Diode silicon (Si Diode): Loại diode phổ biến nhất, được sử dụng trong nhiều ứng dụng điện tử.
  • Diode Schottky: Loại diode có tốc độ chuyển mạch nhanh, thường được sử dụng trong các mạch điện tử có tần số cao.
  • Diode Zener: Loại diode có khả năng ổn định điện áp, thường được sử dụng trong các mạch nguồn điện.
  • Diode LED (Light Emitting Diode): Loại diode phát ra ánh sáng khi có dòng điện đi qua, được sử dụng trong đèn LED và màn hình hiển thị.
  • Diode Laser: Loại diode phát ra ánh sáng laser, được sử dụng trong các ứng dụng như đầu đọc đĩa quang và máy cắt laser.

4. Ứng dụng của diode

Diode được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

  • Chỉnh lưu dòng điện: Diode được sử dụng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC), cung cấp nguồn điện cho các thiết bị điện tử.
  • Bảo vệ mạch điện: Diode được sử dụng để bảo vệ các mạch điện tử khỏi hư hỏng do điện áp ngược hoặc quá tải.
  • Điều khiển tín hiệu: Diode được sử dụng để điều khiển tín hiệu điện tử trong các mạch điện tử.
  • Chỉ báo: Diode LED được sử dụng làm đèn báo, hiển thị trạng thái hoạt động của các thiết bị điện tử.
  • Cảm biến quang: Diode được sử dụng trong các cảm biến quang để phát hiện ánh sáng hoặc tia hồng ngoại.

5. Lựa chọn diode phù hợp

Khi lựa chọn diode, cần lưu ý một số yếu tố sau:

  • Loại diode: Lựa chọn loại diode phù hợp với ứng dụng cụ thể.
  • Điện áp tối đa: Chọn diode có điện áp tối đa lớn hơn điện áp sử dụng trong mạch.
  • Dòng điện tối đa: Chọn diode có dòng điện tối đa lớn hơn dòng điện cần đi qua diode.
  • Tốc độ chuyển mạch: Chọn diode có tốc độ chuyển mạch phù hợp với tần số hoạt động của mạch.
  • Kích thước và hình dạng: Chọn diode có kích thước và hình dạng phù hợp với không gian lắp đặt.

Bài viết có tham khảo:

[1] El-Pro-Cus, What is Diode Approximation: Types and Diode Models, https://www.elprocus.com/diode-approximation-types-and-diode-models/