Diode là gì?

Diode hay còn gọi (Đi-ốt) là một linh kiện điện tử hai cực, dẫn dòng điện chủ yếu theo một hướng (độ dẫn điện bất đối xứng). Nó có điện trở thấp (lý tưởng là bằng không) theo một hướng và điện trở cao (lý tưởng là vô hạn) theo hướng còn lại.

Điốt bán dẫn, loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, là một khối vật liệu bán dẫn dạng tinh thể với tiếp giáp p-n được kết nối với hai cực điện. Nó có đặc tính dòng điện-điện áp theo hàm mũ. Điốt bán dẫn là thiết bị điện tử bán dẫn đầu tiên. Nhà vật lý người Đức Ferdinand Braun đã phát hiện ra sự dẫn điện bất đối xứng qua tiếp xúc giữa khoáng chất dạng tinh thể và kim loại vào năm 1874. Ngày nay, hầu hết các điốt được làm bằng silic, nhưng các vật liệu bán dẫn khác như gali arsenide và germani cũng được sử dụng.

Điốt nhiệt điện tử lỗi thời là một ống chân không với hai điện cực, một catốt được nung nóng và một tấm kim loại, trong đó các electron chỉ có thể chạy theo một hướng, từ catốt đến tấm kim loại.

Điốt nhiệt điện tử lỗi thời là một ống chân không với hai điện cực, một catốt được nung nóng và một tấm kim loại, trong đó các electron chỉ có thể chạy theo một hướng, từ catốt đến tấm kim loại.

Trong số nhiều ứng dụng, điốt được tìm thấy trong các bộ chỉnh lưu để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC), giải điều chế trong máy thu vô tuyến, và thậm chí có thể được sử dụng cho logic hoặc cảm biến nhiệt độ. Một biến thể phổ biến của điốt là điốt phát quang, được sử dụng làm đèn điện và đèn báo trạng thái trên các thiết bị điện tử.

Chức năng chính của Diode

Dòng điện một chiều

Chức năng phổ biến nhất của diode là cho phép dòng điện chạy qua theo một hướng (gọi là hướng thuận của diode), đồng thời chặn dòng điện chạy qua theo hướng ngược lại (hướng ngược lại). Tương tự như thủy lực, diode hoạt động như một van một chiều. Tính chất một chiều này có thể chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC), một quá trình được gọi là chỉnh lưu. Là bộ chỉnh lưu, diode có thể được sử dụng cho các nhiệm vụ như trích xuất điều chế từ tín hiệu vô tuyến trong máy thu vô tuyến.

Điện áp ngưỡng

Tính chất của diode thường được đơn giản hóa thành điện áp ngưỡng thuận hoặc điện áp bật hoặc điện áp cắt, trên đó có dòng điện đáng kể và dưới đó hầu như không có dòng điện, tùy thuộc vào thành phần của diode:

Điện áp ngưỡng thuận cho nhiều điốt bán dẫn khác nhau

Hiện tượng đánh thủng ngược 

Điện trở cao của diode đối với dòng điện chạy theo chiều ngược đột ngột giảm xuống mức thấp khi điện áp ngược đặt lên diode đạt đến một giá trị gọi là điện áp đánh thủng.

Hiệu ứng này được ứng dụng để ổn định điện áp (trong diode Zener) hoặc bảo vệ mạch khỏi các xung điện áp cao (trong diode avalanche).

Các chức năng khác

Đặc tính dòng điện-điện áp của diode bán dẫn có thể được điều chỉnh bằng cách lựa chọn vật liệu bán dẫn và tạp chất pha tạp được đưa vào vật liệu trong quá trình sản xuất.

Những kỹ thuật này được sử dụng để tạo ra các diode chuyên dụng thực hiện nhiều chức năng khác nhau. Ví dụ:

• Điều chỉnh điện tử máy thu radio và TV (diode varactor),
• Tạo dao động tần số vô tuyến (diode đường hầm, diode Gunn, diode IMPATT)
• Phát ra ánh sáng (diode phát quang).
• Diode đường hầm, diode Gunn và diode IMPATT có điện trở âm, hữu ích trong mạch vi sóng và mạch chuyển mạch.
• Diode, cả chân không và bán dẫn, có thể được sử dụng làm bộ tạo nhiễu xung.

Từ nguyên

Vào thời điểm phát minh ra chúng, các thiết bị dẫn điện bất đối xứng được gọi là bộ chỉnh lưu. Năm 1919, năm phát minh ra tetrode, William Henry Eccles đã đặt ra thuật ngữ diode từ gốc Hy Lạp di (từ δί), nghĩa là “hai”, và ode (từ οδός), nghĩa là “đường dẫn”. Tuy nhiên, từ diode đã được sử dụng, cũng như triode, tetrode, pentode, hexode, như các thuật ngữ trong điện báo đa kênh.

Mặc dù tất cả các diode đều chỉnh lưu, nhưng “rectifier” thường được áp dụng cho các diode được sử dụng để cung cấp điện, để phân biệt chúng với các diode dành cho các mạch tín hiệu nhỏ.

Diode ống chân không

Diode nhiệt điện tử là một ống chân không bao gồm một vỏ thủy tinh hoặc kim loại kín, chân không chứa hai điện cực: một cực âm và một cực dương. Cực âm được nung nóng trực tiếp hoặc gián tiếp. Nếu sử dụng phương pháp nung nóng gián tiếp, một bộ phận gia nhiệt sẽ được bao gồm trong vỏ.

Khi hoạt động, catốt được nung nóng đến nhiệt độ đỏ, khoảng 800–1.000 °C (1.470–1.830 °F). Catốt được nung nóng trực tiếp được làm bằng dây vonfram và được nung nóng bằng dòng điện chạy qua nó từ một nguồn điện bên ngoài. Catốt được nung nóng gián tiếp được nung nóng bằng bức xạ hồng ngoại từ một bộ gia nhiệt gần đó được làm bằng dây Nicrom và được cung cấp dòng điện từ một nguồn điện bên ngoài.

Nhiệt độ hoạt động của catốt khiến nó giải phóng các electron vào chân không, một quá trình được gọi là phát xạ nhiệt. Catốt được phủ các oxit của kim loại kiềm thổ, chẳng hạn như oxit bari và oxit stronti. Các oxit này có công thoát thấp, nghĩa là chúng dễ phát ra electron hơn so với catốt không được phủ.

Diode bán dẫn

Diode điểm tiếp xúc

Diode điểm tiếp xúc được phát triển từ những năm 1930, dựa trên công nghệ đầu dò tinh thể ban đầu, và hiện nay thường được sử dụng trong dải tần số từ 3 đến 30 GHz. Diode điểm tiếp xúc sử dụng một dây kim loại đường kính nhỏ tiếp xúc với tinh thể bán dẫn, và có thể là loại tiếp xúc không hàn hoặc loại tiếp xúc hàn.

Kết cấu tiếp xúc không hàn sử dụng nguyên lý rào cản Schottky. Mặt kim loại là đầu nhọn của một dây có đường kính nhỏ tiếp xúc với tinh thể bán dẫn.

Trong loại tiếp xúc hàn, một vùng P nhỏ được hình thành trong tinh thể loại N xung quanh điểm kim loại trong quá trình sản xuất bằng cách truyền một dòng điện tương đối lớn qua thiết bị trong giây lát. Điốt điểm tiếp xúc thường có điện dung thấp hơn, điện trở thuận cao hơn và rò rỉ ngược lớn hơn so với điốt tiếp giáp.

Diode nối

Diode nối p–n

Diode nối p–n được chế tạo từ tinh thể bán dẫn, thường là silicon, nhưng germani và gali arsenide cũng được sử dụng. Các tạp chất được thêm vào để tạo ra một vùng ở một bên chứa các hạt mang điện tích âm (electron), được gọi là bán dẫn loại n, và một vùng ở bên kia chứa các hạt mang điện tích dương (lỗ trống), được gọi là bán dẫn loại p.

Khi vật liệu loại n và loại p được kết nối với nhau, một dòng electron tức thời sẽ xảy ra từ phía n sang phía p, tạo ra một vùng thứ ba nằm giữa hai vùng, nơi không có hạt mang điện tích. Vùng này được gọi là vùng nghèo vì không có hạt mang điện tích (cả electron lẫn lỗ trống) trong đó.

Diode Schottky

Một loại diode nối khác, điốt Schottky, được tạo thành từ mối nối kim loại-bán dẫn thay vì mối nối p–n, giúp giảm điện dung và tăng tốc độ đóng cắt.

Đặc tính dòng điện-điện áp

Hành vi của diode bán dẫn trong mạch được thể hiện qua đặc tính dòng điện-điện áp của nó. Hình dạng của đường cong được xác định bởi sự vận chuyển các hạt mang điện qua lớp nghèo (hay vùng nghèo) tồn tại tại tiếp giáp p-n giữa các chất bán dẫn khác nhau.

Các loại diode bán dẫn

• Diode thác
• Diode dòng không đổi
• Bộ chỉnh lưu tinh thể hay diode tinh thể
• Diode Gunn
• Diode phát quang (LED)
• Diode laser
• Diode nhiệt
• Diode quang
• Diode PIN
• Diode Schottky
• Diode siêu chắn
• Diode pha tạp vàng
• Diode phục hồi bật tắt hoặc bước
• Diode ổn định hay diode tham chiếu thuận
• Diode triệt tiêu điện áp đột biến (TVS)
• Diode đường hầm hay diode Esaki
• Diode Varicap hoặc varactor
• Diode Zener

Sơ đồ đánh số và mã hóa

Có một số sơ đồ đánh số và mã hóa phổ biến, tiêu chuẩn và do nhà sản xuất quy định cho diode; hai tiêu chuẩn phổ biến nhất là tiêu chuẩn EIA/JEDEC và tiêu chuẩn Pro Electron của Châu Âu:

EIA/JEDEC

Hệ thống đánh số chuẩn hóa EIA370 thuộc dòng 1N được EIA/JEDEC (Hội đồng Kỹ thuật Thiết bị Điện tử Chung) giới thiệu tại Hoa Kỳ vào khoảng năm 1960. Hầu hết các diode đều có ký hiệu tiền tố 1 (ví dụ: 1N4003). Trong số các loại phổ biến nhất trong dòng này là: 1N34A/1N270 (tín hiệu germani), 1N914/1N4148 (tín hiệu silicon), 1N400x (bộ chỉnh lưu công suất silicon 1A) và 1N580x (bộ chỉnh lưu công suất silicon 3A).

JIS

Hệ thống ký hiệu bán dẫn JIS có tất cả các ký hiệu diode bán dẫn bắt đầu bằng “1S”.

Pro Electron

Hệ thống mã hóa Pro Electron của Châu Âu dành cho linh kiện chủ động được giới thiệu vào năm 1966 và bao gồm hai chữ cái, theo sau là mã linh kiện. Chữ cái đầu tiên đại diện cho vật liệu bán dẫn được sử dụng cho linh kiện (A = germani và B = silic) và chữ cái thứ hai đại diện cho chức năng chung của linh kiện (đối với diode, A = công suất thấp/tín hiệu, B = điện dung biến thiên, X = bộ nhân, Y = bộ chỉnh lưu và Z = điện áp tham chiếu)

Ví dụ:

• Điốt germani công suất thấp/tín hiệu dòng AA (ví dụ: AA119)
• Điốt silicon công suất thấp/tín hiệu dòng BA (ví dụ: điốt chuyển mạch RF silicon BAT18)
• Điốt chỉnh lưu silicon dòng BY (ví dụ: điốt chỉnh lưu BY127 1250V, 1A)
• Điốt Zener silicon dòng BZ (ví dụ: điốt Zener BZY88C4V7 4.7V)

Các hệ thống đánh số/mã hóa phổ biến khác (thường do nhà sản xuất tự thiết lập) bao gồm:

• Điốt germani dòng GD (ví dụ: GD9) – đây là một hệ thống mã hóa rất cũ
• Điốt germani dòng OA (ví dụ: OA47) – một chuỗi mã hóa được phát triển bởi Mullard, một công ty của Anh

Ứng dụng

Radio demodulation

Ứng dụng đầu tiên của diode là giải điều chế các chương trình phát thanh điều chế biên độ (AM). Lịch sử của khám phá này được trình bày chi tiết trong bài viết về máy dò tinh thể. Tóm lại, tín hiệu AM bao gồm các đỉnh dương và âm xen kẽ của sóng mang vô tuyến, có biên độ hoặc đường bao tỷ lệ thuận với tín hiệu âm thanh gốc.

Chuyển đổi công suất

Bộ chỉnh lưu được cấu tạo từ diode, được sử dụng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC). Máy phát điện xoay chiều ô tô là một ví dụ phổ biến:

• Diode, dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, mang lại hiệu suất tốt hơn so với bộ chuyển mạch hoặc trước đó là máy phát điện.
• Diode cũng được sử dụng trong bộ nhân điện áp Cockcroft-Walton để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều cao hơn.

Bảo vệ điện áp ngược

Vì hầu hết các mạch điện tử có thể bị hỏng khi đảo ngược cực tính của nguồn điện đầu vào, nên đôi khi diode nối tiếp được sử dụng để bảo vệ chống lại các tình huống như vậy. Khái niệm này được biết đến với nhiều tên gọi khác nhau, cùng một ý nghĩa: bảo vệ điện áp ngược, bảo vệ phân cực ngược và bảo vệ pin ngược.

Bảo vệ quá áp

Điốt thường được sử dụng để dẫn điện áp cao gây hại ra xa các thiết bị điện tử nhạy cảm. Trong điều kiện bình thường, chúng thường được phân cực ngược (không dẫn điện). Khi điện áp tăng cao hơn phạm vi bình thường, điốt sẽ được phân cực thuận (dẫn điện).

Ví dụ:

điốt được sử dụng trong (động cơ bước và cầu H) bộ điều khiển động cơ và mạch rơle để khử điện nhanh chóng các cuộn dây mà không gây ra các xung điện áp gây hại thường xảy ra. (Điốt được sử dụng trong ứng dụng này được gọi là điốt flyback).

Cổng logic

Logic diode-điện trở xây dựng các cổng logic AND và OR. Chức năng hoàn chỉnh có thể đạt được bằng cách thêm một thiết bị chủ động để cung cấp đảo ngược (như được thực hiện với logic diode-transistor).

Đo nhiệt độ

Điốt có thể được sử dụng như một thiết bị đo nhiệt độ, vì độ sụt áp thuận trên diode phụ thuộc vào nhiệt độ, như trong cảm biến nhiệt độ bandgap silicon.

Điều khiển dòng điện

Diode sẽ ngăn chặn dòng điện chạy theo hướng không mong muốn. Để cung cấp điện cho mạch điện khi mất điện, mạch có thể lấy dòng điện từ ắc quy. Bộ nguồn lưu điện có thể sử dụng diode theo cách này để đảm bảo dòng điện chỉ được lấy từ ắc quy khi cần thiết.

Bộ cắt dạng sóng

Diode có thể được sử dụng để giới hạn độ lệch dương hoặc âm của tín hiệu ở một điện áp quy định.

Bộ kẹp

Mạcha kẹp diode có thể lấy tín hiệu dòng điện xoay chiều tuần hoàn dao động giữa các giá trị dương và âm, và dịch chuyển nó theo phương thẳng đứng sao cho các đỉnh dương hoặc âm xuất hiện ở một mức quy định.

Bộ kẹp không hạn chế độ lệch đỉnh-đỉnh của tín hiệu, mà nó di chuyển toàn bộ tín hiệu lên hoặc xuống để đặt các đỉnh ở mức tham chiếu.

Tính toán hàm mũ và logarit

Mối quan hệ hàm mũ dòng điện-điện áp của diode được sử dụng để đánh giá lũy thừa và hàm nghịch đảo của nó là logarit bằng cách sử dụng tín hiệu điện áp tương tự.