Cập nhật lần cuối 16 tháng 05 năm 2025 bởi Lê Đình Hậu
Diode (Điốt) là linh kiện rất phổ biến trong điện tử học. Bạn sẽ thấy nó trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện nay. Trong bài này, Điện Tử Số 4.0 sẽ cùng bạn tìm hiểu về cấu tạo và ứng dụng của nó.
Diode là gì? Cấu tạo của Diode
Diode là linh kiện bán dẫn có cấu tạo cơ bản trên chuyển tiếp P-N và được kết nối với bên ngoài thông qua hai điện cực kim loại Anode và Kathode.
Điốt bán dẫn là một loại linh kiện bán dẫn được chế tạo từ hợp chất là Silic, Photpho và Bori chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều duy nhất mà không theo chiều ngược lại. Có nhiều loại diode bán dẫn, như diode chỉnh lưu thông thường, diode Zener, LED.
Cấu tạo vật lý của Diode
Liên kết P-N
P-type: bán dẫn có tạp chất hóa trị 3 (như Bo – tạo lỗ trống)
N-type: bán dẫn có tạp chất hóa trị 5 (như Phốtpho – cho điện tử tự do)
Khi ghép P với N:
- Các điện tử khuếch tán từ N sang P
- Các lỗ trống khuếch tán từ P sang N
- → tạo ra một vùng nghèo (depletion region)
Vùng nghèo (Depletion Region)
Không còn hạt mang điện tự do → cách điện
Tạo nên một điện trường nội tại, chống lại sự khuếch tán thêm
Điện trường này tạo nên rào thế (built-in potential)
Nguyên lý hoạt động
Phân cực thuận (Forward Bias)
Nối cực dương vào P, cực âm vào N
Điện trường ngoài giảm rào thế, giúp điện tử/lỗ trống dễ di chuyển
Khi điện áp vượt qua ngưỡng (thường 0.7V với Si, 0.3V với Ge) → dẫn điện mạnh
Phân cực ngược (Reverse Bias)
Nối cực âm vào P, cực dương vào N
Điện trường ngoài tăng rào thế, làm vùng nghèo rộng ra
Dòng điện gần như bằng 0 (chỉ còn dòng rò nhỏ)
Breakdown (Đánh thủng)
Nếu áp ngược đủ lớn (vượt breakdown voltage), dòng tăng mạnh:
- Zener breakdown: xảy ra với diode Zener tại điện áp thấp
- Avalanche breakdown: xảy ra với điện áp lớn hơn
Ký hiệu Đi ốt
Biểu tượng của một diode được hiển thị dưới đây. Đầu mũi tên chỉ hướng của dòng điện quy ước trong điều kiện phân cực thuận. Điều đó có nghĩa là cực dương được kết nối với phía p và cực âm được kết nối với phía n.
Chúng ta có thể tạo ra một đi-ốt tiếp giáp PN đơn giản bằng cách pha tạp chất hóa trị năm hoặc tạp chất cho vào một phần và tạp chất hóa trị ba hoặc tạp chất nhận vào phần còn lại của khối tinh thể silicon hoặc germanium.
Những pha tạp này tạo ra một đường giao nhau PN ở phần giữa của khối. Chúng ta cũng có thể tạo thành một điểm nối PN bằng cách nối chất bán dẫn loại p và chất bán dẫn loại n với nhau bằng một kỹ thuật chế tạo đặc biệt. Thiết bị đầu cuối được kết nối với loại p là cực dương. Thiết bị đầu cuối được kết nối với phía loại n là cực âm.
Loại diode phổ biến hiện nay
Diode chỉnh lưu (Rectifier Diode)
Dòng cao, dùng trong nguồn điện
Cấu tạo là một chuyển tiếp P-N, tiếp xúc mặt. Do vậy điốt chỉnh lưu có khả năng chịu được dòng tải lớn. Ứng dụng trong các mạch chỉnh lưu. Diode chỉnh lưu là một thành phần quan trọng trong nguồn cung cấp điện, dùng để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành một chiều.
Vai trò chủ yếu của loại điốt này là chuyển đổi dòng điện xoay chiều (Điện thế từ 50Hz đến 60Hz) về dòng điện một chiều.
Điốt chỉnh lưu thường hoạt động ở dải tần thấp, chịu được dòng điện lớn và có áp ngược chịu đựng dưới 1000V.
Diode cao tần
Cấu tạo là một chuyển tiếp P-N, phiến bán dẫn P là kim bán dẫn, N là tấm bán dẫn. Chuyển tiếp P-N có kích thước cực nhỏ do vậy diode cao tần có điện dung tiếp xúc bé, hoạt động được ở tần số cao. Ứng dụng trong các mạch biến tần, dao động và mạch tách sóng cao tần.
Diode Zener
Ổn áp, hoạt động ngược
Cấu tạo cơ bản trên chuyển tiếp P-N, vật liệu của chuyển tiếp P-N là vật liệu chịu nhiệt và toả nhiệt tốt, do đó nó chịu được dòng ngược lớn. Hoạt động chủ yếu ở vùng phân cực ngược. Ứng dụng trong các mạch ổn áp, tạo điện áp chuẩn.
Đây là loại đi-ốt hữu ích nhất vì nó có thể cung cấp điện áp tham chiếu ổn định. Chúng được vận hành theo xu hướng ngược lại và bị hỏng khi có một điện áp nhất định. Nếu dòng điện đi qua điện trở bị hạn chế, điện áp ổn định sẽ được tạo ra. Điốt Zener được sử dụng rộng rãi trong các bộ nguồn để cung cấp điện áp tham chiếu.
Diode biến dung (Varicap / Varactor)
Phổ biến trong ngành RF, viễn thông, thiết bị vô tuyến (radio, TV, bộ thu phát sóng, VCO, PLL…). Tuy nhiên, không phổ biến trong các mạch dân dụng hoặc điện tử cơ bản.
Nó được dùng như một tụ điện điều khiển bằng điện áp. Khi phân cực ngược, vùng nghèo mở rộng khiến điện dung giảm. Ngoài ra, diode biến dung có thể thay đổi điện dung từ vài pF đến vài chục pF chỉ bằng cách thay đổi điện áp DC
Cấu tạo trên chuyển tiếp P-N, phân cực ngược có điện dung thay đổi theo điện áp ngược đặt vào. Ứng dụng trong các mạch tự điều chỉnh tần số cộng hưởng, mạch khuếch đại, biến tần,…
Diode tunnel (diode xuyên hầm)
Dựa trên hiệu ứng tunel lượng tử
Cấu tạo cơ bản trên chuyển tiếp P-N có nồng độ tạp chất cao dựa trên hiệu ứng xuyên hầm. Hiệu ứng này tạo đặc tính dẫn điện 2 chiều của điốt. Ứng dụng trong các mạch tạo dao động siêu cao tần…
Diode schottky
Tốc độ cao, sụt áp thấp
Cấu tạo cơ bản trên P-N, tiếp xúc Schottky gồm bán dẫn với kim loại: không có sự tích luỹ hạt dẫn do đó tụ điện tương đương nhỏ nên chuyển mạch nhanh. Ứng dụng trong các mạch yêu cầu tốc độ chuyển mạch nhanh, khoá điện tử, mạch lọc sóng, tách sóng,…
Diode phát quang (LED – Light Emitting Diode)
Phát quang, vật liệu bán dẫn đặc biệt
Các bộ hiển thị trong máy tính số, trong đồng hồ số và trong một số thiết bị thường dùng led phát quang hoặc LCD (liquid crytal display). Led phát quang là một điốt có cấu trúc đặc biệt có thể phát ra ánh sáng khi chuyển tiếp P-N được cung cấp một điện trường thích hợp.
Trong một vài nguyên tố theo cấu trúc của Bo, khi điện tử chuyển động chiếm giữ mức năng lượng cao hơn hoặc tái hợp, các electron sẽ phát ra một năng lượng lượng tử, năng lượng lượng tử này có bước sóng và tần số xác định. Trong một số vật liệu Gallium arsenide phosphide (GaAsP hoặc Gallium Phosphide (Gap), năng lượng này phát sáng và có tần số xác định.)
Các ứng dụng quan trọng
Có 7 ứng dụng chính của Diode như sau:
- Chỉnh lưu AC thành DC
- Ổn định điện áp
- Tách sóng tín hiệu RF
- Chuyển mạch tốc độ cao
- Tạo xung, giới hạn xung
- Cảm biến (ánh sáng, nhiệt độ)
- Truyền dẫn quang học (Laser diode)
Các hiện tượng nâng cao
Hiệu ứng nhiệt và ảnh hưởng đến hiệu suất (temperature drift, thermal runaway)
Hiện tượng điện dung tiếp giáp trong các ứng dụng tần số cao
Noise diode và ứng dụng tạo nhiễu ngẫu nhiên (random noise generation)
Hiện tượng phân cực ngược quá mức (breakdown) – Zener và Avalanche breakdown
Hiệu ứng thời gian phục hồi (reverse recovery time) – quan trọng trong mạch switching
Kỹ thuật đo lường và thử nghiệm
Dùng oscilloscope để quan sát đặc tuyến V-A
Đo điện áp ngưỡng và dòng rò
Kiểm tra đáp ứng với tín hiệu xung
So sánh diode lý tưởng và thực tế qua mạch thực nghiệm
Diode trong thiết kế mạch hiện đại
- Ứng dụng trong mạch SMPS, mạch logic, mạch RF, mạch bảo vệ ESD
- Phối hợp với transistor, IC
- Thiết kế mạch chỉnh lưu cầu, clipper, clamper, mạch logic DTL
Vật liệu và công nghệ chế tạo
- Silicon vs. Germanium vs. Gallium Arsenide
- Công nghệ bán dẫn CMOS, SOI, SiC (Silicon Carbide) cho diode công suất
Bước cuối cùng để hiểu sâu hơn về Diode mình khuyên bạn nên phân tích các tài liệu và datasheet. Nó sẽ giúp bạn thấy rõ các hoạt động của Diode trong môi trường thực tế.
Bạn có thể tìm datasheet của các hãng như Vishay, ON Semiconductor, STMicro… Sau đó, so sánh các loại diode dựa trên thông số kỹ thuật. Từ đó, tự đưa ra đánh giá của riêng mình và chọn diode cho từng ứng dụng cụ thể.
Thông qua bài viết toàn diện và đầy đủ về Diode này mình hy vọng sẽ giúp bạn hiểu hơn về một trong những linh kiện quan trọng nhất trong thế giới điện tử.
