Tổng quan kiến thức về điốt: Diode là gì? Định nghĩa, cấu tạo, chức năng, nguyên lý hoạt động, đặc tính V/A tĩnh – động, cách phân loại điốt… Cùng tìm hiểu các loại điốt thông dụng trên thị trường như: Diode – điốt phát quang LED, zener, laser, biến dung, điốt cầu, sootky…

Diode là gì?

Diode là gì? hay ( điốt là gì?) là dụng cụ bán dẫn hai điện cực, một điện cực là anốt và điện cực thứ hai là katốt. Trạng thái (dẫn hay khoá) của điốt được xác lập tuỳ thuộc dấu của điện áp Va giữa anốt và katốt. Nếu điện áp đó dương điốt sẽ xác lập trạng thái dẫn (điện trở tương đương nhỏ) và ngược lại sẽ xác lập trạng thái khoá (điện trở tương đương lớn).

Chức năng của Diode trong ĐTCS ( Điện tử công suất )

Diode (Điốt) là một trong số các thiết bị (linh kiện) điện tử công suất, có một số chức năng chính như sau:

• Chỉnh lưu dòng điện xoay chiều
• Cách ly các phần tử
• Chuyển hướng dòng điện giữa các phần tử trong mạch

Nguyên lý làm việc của Diode

Nguyên lý làm việc của Diode là gì? hay nguyên lý làm việc của điốt bán dẫn được mô tả dựa trên cấu trúc cơ bản và sự hình thành mối nối pn:

Cấu trúc cơ bản của diode

Điốt gồm một tinh thể bán dẫn thuần được kích tạp tạo nên lớp bán dẫn P nối với cực Anode (Anốt) và lớp bán dẫn N nối với cực Cathode (Katốt).

PN Junction là gì?

PN Junction là sự hình thành mối nối PN của Diode, có đặc điểm như sau:

• Trong bán dẫn P nồng độ các động tử cơ bản (lỗ trống) pp cao hơn rất nhiều so với nồng độ các động tử không cơ bản (êlếctrôn) np (pp >> np)
• Còn trong bán dẫn N nồng độ (êlếctrôn) nn cao hơn rất nhiều so với nồng độ lỗ trống pn (nn >> pn)

Sự hình thành mối nối PN của Diode là gì?

• Sự khuếch tán làm cho một số nguyên tử chất nhận, lân cận với mặt tiếp xúc bên phía P, bị mất lỗ trống và trở thành các iôn bất động mang điện âm
• Tương tự như vậy một số nguyên tử chất cho, lân cận bên phía lớp N, bị mất êlếctrôn và trở thành iôn bất động mang điện dương.
• Như vậy bên phía P hình thành miền điện tích âm không gian, còn bên phía N hình thành miền điện tích dương không gian. Hai miền điện tích không gian trái dấu đấy sinh ra một điện trường nội tại E0 hướng từ phía N sang phía P
• Điện trường này tác động ngược chiều với quá trình khuếch tán, tức là cản trở quá trình khuếch tán các động tử. Động tử được khuếch tán có thể bị đẩy trở lại nếu động năng của nó không đủ lớn
• Vậy là khuếch tán tạo nên điện trường E0 nhưng điện trường này lại cản trở khuếch tán. Sự tác động tương hỗ này cuối cùng xác lập một trạng thái cân bằng động sao cho tốc độ khuếch tán cân bằng với tốc độ đẩy động tử về hai phía bởi điện trường E0. Khi đó phân bố mật độ các động tử p(x) và n(x) dọc theo toạ độ x sẽ xác lập, đồng thời miền điện tích không gian có bề dày không đổi Δxo

Miền điện tích không gian giữa hai tinh thể bán dẫn khác loại do hiện tượng khuếch tán tạo nên được gọi là chuyển tiếp P-N.

Đặc tính V/A tĩnh của Diode

Đặc tính V/A tĩnh của Diode là gì?

Đặc tính V/A tĩnh của Diode là phần tử tự chuyển mạch trạng thái của điốt được đánh giá qua đặc tính tĩnh hay đặc tính vôn-ampe. Đó là quan hệ giữa dòng điện chảy qua điốt và điện áp rơi giữa hai điện cực ở chế độ xác lập.

Đặc tính vôn-ampe hay còn được gọi là đặc tính tĩnh của điốt ở dạng giải tích được mô tả bằng biểu thức Sôtky.

Biểu thức Sôtky

Trong đó:

• ID : dòng điện chảy qua điốt;
• VD : điện áp rơi trên điốt
• IT : dòng điện ngược hay dòng điện nhiệt bão hòa
• n = (1 – 2) là hằng số kinh nghiệm,
• VT : hằng số, được gọi là hiệu điện thế nhiệt (VT= kT/q) với ( k = 1,3806 x 10-23 J/K là hằng số Bôsman; T là nhiệt độ K tuyệt đối: K = 273 + 0C; q = 1,6022 x 10-19 Culông, là điện tích của êlectrôn)

Đặc tính chuyển mạch động của Diode là gì?

Chuyển mạch dẫn: ứng với các khoảng t1 và t2 (hình trên).

Khi điốt ở trạng thái phân cực ngược dòng điện do các động tử không cơ bản tạo nên. Nếu cấp điện áp dương cho anốt trong điều kiện đó thì điốt sẽ nhanh chóng chuyển sang trạng thái dẫn và mang dòng điện thuận.

Tuy nhiên quá trình này cũng đòi hỏi một khoảng thời gian để các động tử này điền đầy miền điện tích không gian của chuyển tiếp trước đó phân cực ngược. Khoảng thời gian cần thiết để điốt chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái dẫn được gọi là thời gian mở hay thời gian chuyển mạch dẫn.

Thời gian này thường nhỏ hơn nhiều so với thời gian khoá nên trong thực tế có thể bỏ qua, tuy cần được quan tâm để đảm bảo an toàn cho điốt.

Chuyển mạch khóa

Tỷ số t5/t4 được gọi là hệ số cản dịu và được ký hiệu là kcd. Trong thực tế hệ số này phụ thuộc thời gian hồi phục tổng thf và dòng điện ngược cực đại IRR.Ta có: thf = t5 + t4.

Dòng điện ngược cực đại IRR có thể được biểu diễn gần đúng theo tốc độ biến thiên của nó: IRR = t4 (di/dt)

Về mặt điện tích quá trình trình hồi phục là quá trình giải phóng toàn bộ số động tử tự do hay điện tích tích tụ trong cấu trúc của điốt trước khi khoá. Tổng số điện tích này được gọi là điện tích tích tụ, được ký hiệu là Qhf:

Phân loại điốt (diode)

Theo thời gian hồi phục điốt được chia thành một số loại và đối với cùng một công suất thời gian này càng nhỏ giá thành của điốt càng cao. Vì thế sử dụng điốt từng loại cho phù hợp với từng yêu cầu cụ thể vừa có ý nghĩa kỹ thuật vừa có ý nghĩa kinh tế. Tuỳ thuộc thời gian hồi phục và công nghệ chế tạo các điốt công suất được chia thành ba nhóm:

• Điốt thông dụng
• Điốt tác động nhanh và siêu nhanh
• Điốt Sốtky

Điốt thông dụng

Các điốt này có thời gian hồi phục tương đối lớn, thường trên dưới 0,025 ms và chủ yếu được ứng dụng trong các lĩnh vực tần số như trong chỉnh lưu hoặc nghịch lưu đến tần số đến 1 kHz. Những điốt thuộc nhóm này được chế tạo bằng công nghệ khuếch tán, với dòng điện từ 1 đến hàng ngàn ampe và điện áp từ 50 V đến 5 kV.

Điốt tác động nhanh

Các điốt này có thời gian tác động nhỏ (dưới 0,005 ms), chúng thường được dùng trong các mạch biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều hay(băm xung) hoặc một chiều thành xoay chiều hay (nghịch lưu). Vì trong những trường hợp này thời gian hồi phục hay thời gian chuyển mạch khoá có ý nghĩa rất quan trọng.

Các điốt tác động nhanh thường được chế tạo với dòng điện từ hơn 1 A đến hàng trăm ampe và điện áp từ 50 V đến 3 kV. Đối với điện áp trên 400 V, điốt tác động nhanh được chế tạo theo công nghệ khuếch tán, trong đó thời gian hồi phục được khống chế bằng khuếch tán bạch kim hoặc vàng. Còn đối với điện áp dưới 400 V điốt được chế tạo theo công nghệ êpitắc, thời gian hồi phục của các điốt này có thể nhỏ hơn 50 ns.

Điốt Sôtky

Hiện tượng tích tụ điện tích trong chuyển tiếp P-N có thể được loại trừ hoặc giảm thiểu trong điốt Sôtky. Vấn đề này được giải quyết theo nguyên lý phỏng hàng rào thế nhờ tiếp xúc giữa kim loại và bán dẫn, đó là tiếp xúc giữa một lớp kim loại với một lớp mỏng bán dẫn silíc êpitắc loại N.

Nhờ đó thời gian hồi hồi phục của điốt Sôtky giảm đáng kể so với điốt có chuyển tiếp P-N thông thường. Ưu điểm nữa của điốt Sôtky là điện áp rơi hay sụt áp thuận tương đối nhỏ.

Nhược điểm phải kể đến của điốt Sốtky là: có dòng ngược hay dòng rò Sôtky lớn hơn so với dòng điện của điốt P-N; có điện áp ngược cực đại không lớn, thường không quá 100 V. Dòng điện của điốt Sôtky nằm trong khoảng từ 1 đến 300 A.

Các điốt Sôtky có thể được coi là lý tưởng cho những trường hợp điện áp thấp nhưng dòng điện cao, ví dụ như trong các bộ nguồn một chiều điện áp thấp. Trong các bộ nguồn một chiều dòng nhỏ chúng cũng được sử dụng nhằm nâng cao hiệu suất.

Các loại điốt thường gặp trên thị trường

Diode Zener là gì?

Diode Zener (điốt Zener) hay còn gọi với cái tên khác là điốt đánh thủng – điốt ổn áp… Đây là một loại điốt bán dẫn làm việc ở chế độ phân cực ngược trên vùng điện áp đánh thủng (breakdown). Loại này được chế tạo nhằm mục đích tối ưu để hoạt động tốt trong miền đánh thủng.

Nguyên lý hoạt động của Diode Zener như sau: Mắc điốt Zener ngược chiều lại, nếu điện áp trên mạch lớn hơn điện áp định mức của điốt thì điốt sẽ cho thông dòng điện.

Diode phát quang là gì?

Diode phát quang hay điốt LED (Light Emitting Diode) là loại điốt có khả năng phát ra ánh sáng như tia hồng ngoại…

Diode laser là gì?

Diode laser hay điốt laser là loại điốt gần giống với điốt phát quang, khi điốt laser được đặt trong một hiệu điện thế nhất định, kích ứng các lỗ trống lớp bán dẫn P chuyển qua phần lớp bán dẫn loại N và ngược lại: các electron trong lớp bán dẫn loại N chuyển sang lớp bán dẫn loại P. Cấu tạo của diode laser tương tự cấu tạo của diode nói chung.

Diode laser có bước sóng phát xạ khác nhau trải dài trong khoảng từ: 405 – 808 nm. Vỏ diode laser thường theo chuẩn TO3, TO5, TO9, TO18… Mạch điều khiển có nhiệm vụ ổn định điện áp và dòng điện cho đầu laser diode. Mạch điều khiển càng tốt thì tuổi thọ của điốt laser càng được nâng cao.

Diode biến dung là gì?

Diode biến dung hay Varicap là loại điốt bán dẫn có nhiệm vụ biến đổi điện dung. Nó được tạo ra để giống như tụ điện có khả năng thay đổi điện dung.

Diode biến dung điều chỉnh mức điện dung đến vài chục pF, được ứng dụng cho các mạch điều hưởng tần số cao( khoảng 50 MHz trở lên ).

Nguồn tham khảo: Slide bài giảng điện tử công suất / Diode là gì?– Tác giả: Thầy. Nguyễn Khắc Thủy Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự

>>>Tài liệu tham khảo: Giáo trình Điện tử công suất – Võ Minh Chính!

>>>Chuyên mục tham khảo: Điện tử công suất

Nếu các bạn có bất cứ thắc mắc hay cần tư vấn về thiết bị dịch vụ vui lòng comment phía dưới hoặc Liên hệ chúng tôi!

Chúng tôi luôn sẵn sàng đem lại những giá trị tốt đẹp cho cộng đồng!

Youtobe Facebook Twitter

Meta: please specify meta key name