Điốt

Điốt bán dẫn (hay còn gọi là điốt) là một loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không cho phép dòng điện đi ngược lại.

Có nhiều loại điốt bán dẫn như điốt chỉnh lưu thông thường, điốt Zener, LED. Chúng đều có cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N và được nối với 2 chân là anode và cathode.

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

Điốt bán dẫn, loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, là các mẫu vật liệu bán dẫn kết tinh với cấu trúc p-n được nối với hai chân là anode và cathode.

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 khuếch tán sang khối N. Đồng thời, 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 điện dương bên khối N tạo 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 sự khuếch tán. Sau một thời gian kể từ khi ghép hai khối bán dẫn với nhau, quá trình khuếch tán chấm dứt và điện áp tiếp xúc tồn tại. Lúc này, ta nói về tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng là khoảng 0.7V đối với điốt làm bằng bán dẫn Silic và khoảng 0.3V đối với điốt làm bằng bán dẫn Gemanium.

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 khi điện áp bên ngoài được cân bằng bởi điện áp tiếp xúc. Đây là cơ chế hoạt động cơ bản 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 bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hơn về hạt điện tự do. Nói cách khác, diode chỉ cho phép dòng điện đi qua khi điện áp được đặt theo một hướng nhất định.

Diode chỉ dẫn điện theo một chiều từ anode đến cathode. Theo nguyên lý dòng điện chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, muốn có dòng điện đi 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 U_AK > 0 và ngược chiều với điện áp tiếp xúc (U_{tiếp xúc}). Để có dòng điện đi qua diode, 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 được sử dụng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V), phần còn lại được dùng để tạo dòng điện thuận qua diode.

Khi U_AK > 0, diode được gọi là phân cực thuận và có dòng điện qua gọi là dòng điện thuận (thường ký hiệu là IF hoặc ID). Dòng điện thuận chảy từ anode đến cathode.

Khi U_AK cân bằng với điện áp tiếp xúc, diode dẫn điện rất tốt, tức là điện trở của diode rất thấp (vài chục Ohm). Phần điện áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn rất nhiều so với phần điện áp để cân bằng với U_{tiếp xúc}. Phần điện áp để cân bằng với U_{tiếp xúc} khoảng 0.6V và phần điện áp để tạo dòng điện thuận khoảng 0.1V đến 0.5V, phụ thuộc vào dòng điện thuận từ vài chục mA đến vài Ampere. Vì vậy giá trị của UAK cần để có dòng điện qua diode là khoảng 0.6V đến 1.1V. Ngưỡng 0.6V là ngưỡng diode bắt đầu dẫn, khi U_AK = 0.7V thì dòng điện qua diode từ vài chục mA.

Nếu diode còn tốt, nó không dẫn điện theo chiều ngược từ cathode sang anode. Tuy nhiên, vẫn tồn tại một ít dòng điện ngược nếu diode bị phân cực ngược với điện áp lớn. Dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ μA) và thường không quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp. Mọi diode chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược, nhưng nếu điện áp ngược quá lớn (VBR là ngưỡng chịu đựng của diode), diode sẽ bị phá hủy, dòng điện qua diode tăng nhanh và diode bị hỏng. Do đó, khi sử dụng cần tuân thủ hai điều kiện sau đây:

• Dòng điện thuận qua diode 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 nhà sản xuất để xác định).
• Điện áp phân cực ngược (U_KA) không được lớn hơn VBR (ngưỡng đánh thủng của diode, cũng do nhà sản xuất cung cấp).

Ví dụ, diode 1N4007 có các thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất như sau: VBR=1000V, IF_max = 1A, VF¬ = 1.1V khi IF = IF_max. Những thông số này cho biết:

• Dòng điện qua diode không được vượt quá 1A.
• Điện áp ngược tối đa trên diode không được lớn hơn 1000V.
• Điện áp thuận (U_AK) có thể lên đến 1.1V nếu dòng điện qua bằng 1A. Lưu ý rằng với các diode chỉnh lưu, khi U_AK = 0.6V, diode bắt đầu dẫn và khi U_AK = 0.7V, dòng điện qua diode đạt vài chục mA.

Đặc tính Volt-Ampere

Đặc tính Volt-Ampere của diode là biểu đồ mô tả mối quan hệ giữa dòng điện qua diode và điện áp UAK được áp vào nó. Đặc tính này có thể được chia thành hai giai đoạn:

• Giai đoạn với U_AK = 0.7V > 0 miêu tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp khi diode đang phân cực thuận.
• Giai đoạn với U_AK = 0.7V < 0 miêu tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp khi diode đang phân cực nghịch.

(Với diode Ge, giá trị của UAK là khác)

Khi diode được phân cực thuận và dẫn điện, dòng chính phụ thuộc vào điện trở của mạch ngoài (kết nối nối tiếp với diode). Dòng điện phụ thuộc rất ít vào điện trở thuận của diode do điện trở này rất nhỏ, thường không đáng kể so với điện trở của mạch điện.

Các ứng dụng

Vì diode chỉ dẫn điện theo một chiều từ anode đến cathode khi được phân cực thuận, nó được sử dụng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.

Ngoài ra, diode có nội trở thay đổi rất lớn. Khi phân cực thuận, RD ≈ 0 (mạch ngắn), khi phân cực nghịch, RD (mạch hở). Vì vậy, diode được sử dụng như các công tắc điện tử, được điều khiển bằng mức điện áp. Diode chỉnh lưu giúp chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, điều này có ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật điện tử. Do đó, diode được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử.

Ký hiệu điện tử

Ký hiệu điện tử được sử dụng để chỉ các loại diode khác nhau trong sơ đồ mạch.