- Diode là gì?
- Lịch sử của Diode:
- Cấu tạo của Diode:
- Sự hình thành các chất bán dẫn loại P và N:
- Điốt nối PN:
- Lý thuyết mối nối PN:
- Diode in Forward Bias
- Các ứng dụng của Điốt:
Diode là gì?
Nhìn chung, tất cả các thiết bị điện tử đều cần nguồn điện một chiều nhưng không thể tạo ra nguồn điện một chiều, vì vậy chúng ta cần một giải pháp thay thế để có được một số nguồn điện một chiều, do đó, việc sử dụng điốt là hình ảnh để chuyển đổi nguồn AC thành nguồn DC. Diode là một linh kiện điện tử nhỏ được sử dụng trong hầu hết các mạch điện tử để cho phép dòng điện chạy theo một hướng ( thiết bị một chiều ). Chúng ta có thể nói rằng việc sử dụng vật liệu bán dẫn để chế tạo các linh kiện điện tử được bắt đầu từ điốt. Trước khi phát minh ra diode đã có với ống chân không, ứng dụng của cả hai thiết bị này tương tự nhau nhưng kích thước mà ống chân không chiếm sẽ lớn hơn nhiều so với điốt. Cấu tạo của các ống chân không hơi phức tạp và chúng khó bảo trì khi so sánh với các điốt bán dẫn. Ít ứng dụng của điốt là chỉnh lưu, khuếch đại, đóng cắt điện tử, biến đổi năng lượng điện thành quang năng và quang năng thành điện năng.
Lịch sử của Diode:
Vào năm 1940 tại Bell Labs, Russell Ohl đang làm việc với một tinh thể silicon để tìm ra các đặc tính của nó. Một ngày tình cờ khi tinh thể silicon có vết nứt tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, ông đã tìm thấy dòng điện chạy qua tinh thể và sau này được gọi là diode, khởi đầu cho kỷ nguyên bán dẫn.
Cấu tạo của Diode:
Vật liệu rắn thường được phân thành ba loại là chất dẫn điện, chất cách điện và chất bán dẫn. Chất dẫn điện có số lượng điện tử tự do tối đa, Chất cách điện có số lượng điện tử tự do tối thiểu (không đáng kể nên không thể có dòng điện chạy qua) trong khi chất bán dẫn có thể là chất dẫn điện hoặc chất cách điện tùy thuộc vào điện thế đặt vào nó. Chất bán dẫn thường được sử dụng là Silicon và Germanium. Silicon được ưa thích hơn vì nó có sẵn rất nhiều trên trái đất và nó cho phạm vi nhiệt tốt hơn.
Chất bán dẫn được phân thành hai loại là chất bán dẫn bên trong và chất bán dẫn bên ngoài.
Chất bán dẫn bên trong:
Chúng còn được gọi là chất bán dẫn tinh khiết trong đó các hạt tải điện (electron và lỗ trống) có số lượng bằng nhau ở nhiệt độ phòng. Vì vậy sự dẫn dòng điện diễn ra bởi cả lỗ trống và electron như nhau.
Chất bán dẫn bên ngoài:
Để tăng số lượng lỗ trống hoặc điện tử trong vật liệu, chúng tôi sử dụng vật liệu bán dẫn bên ngoài, nơi các tạp chất (không phải silicon và germani hoặc đơn giản là vật liệu hóa trị ba hoặc ngũ vị trí) được thêm vào silicon. Quá trình thêm tạp chất vào chất bán dẫn tinh khiết được gọi là Doping.
Sự hình thành các chất bán dẫn loại P và N:
Chất bán dẫn loại N:
Nếu các nguyên tố ngũ bội (số electron hóa trị là năm) được thêm vào Si hoặc Ge thì sẽ có các electron tự do. Như các electron (mang điện tích âm) có nhiều trong số này được gọi là N-type bán dẫn . Trong loại N, các electron bán dẫn là hạt tải điện đa số và lỗ trống là hạt tải điện thiểu số.
Một số nguyên tố ngũ hành là Phốt pho, Asen, Antimon và Bismuth. Vì chúng có điện tử hóa trị dư thừa và sẵn sàng ghép nối với hạt mang điện tích dương bên ngoài nên các nguyên tố này được gọi là Donor .
Chất bán dẫn loại P
Tương tự, nếu các nguyên tố hóa trị ba như Boron, Aluminium, Indium và Gallium được thêm vào Si hoặc Ge, thì một lỗ trống sẽ được tạo ra do số lượng điện tử hóa trị trong đó là ba. Kể từ khi một lỗ là sẵn sàng chấp nhận một electron và nhận được cặp nó được gọi là chất nhận . Khi số lượng lỗ là dư thừa trong các tài liệu mới được thành lập này được gọi là P-type bán dẫn . Trong các lỗ trống bán dẫn loại P là hạt tải điện đa số và các electron là hạt tải điện thiểu số.
Điốt nối PN:
Bây giờ, nếu chúng ta nối hai loại bán dẫn loại P và loại N với nhau thì một thiết bị mới được hình thành được gọi là điốt tiếp giáp PN. Vì mối nối hình thành giữa vật liệu loại P và loại N nên nó được gọi là mối nối PN.
Từ diode có thể được giải thích là 'Di' có nghĩa là hai và 'ode' được lấy từ điện cực. Vì linh kiện mới được hình thành có thể có hai cực hoặc điện cực (một đầu nối với kiểu P và đầu kia nối với kiểu N) nên nó được gọi là điốt hoặc điốt tiếp giáp PN hoặc điốt bán dẫn.
Đầu cuối kết nối với vật liệu loại P được gọi là Anode và đầu cuối kết nối với vật liệu loại N được gọi là Cathode .
Biểu diễn ký hiệu của diode như sau.
Mũi tên cho biết dòng điện chạy qua nó khi diode ở chế độ phân cực thuận, dấu gạch ngang hoặc khối ở đầu mũi tên biểu thị sự tắc nghẽn của dòng điện từ hướng ngược lại.
Lý thuyết mối nối PN:
Chúng ta đã thấy cách một diode được tạo ra với các chất bán dẫn P và N nhưng chúng ta cần biết điều gì xảy ra bên trong nó để tạo thành một đặc tính duy nhất cho phép dòng điện chỉ theo một hướng và điều gì xảy ra tại điểm tiếp xúc chính xác ban đầu tại đường giao nhau của nó.
Sự hình thành mối nối:
Ban đầu, khi cả hai vật liệu liên kết với nhau (không có bất kỳ hiệu điện thế bên ngoài nào đặt vào), các điện tử dư thừa ở loại N và lỗ trống thừa ở loại P sẽ bị hút vào nhau và được liên kết lại nơi hình thành các ion bất động (ion Donor và ion Chấp nhận) diễn ra như trong hình dưới đây. Các ion bất động này chống lại dòng electron hoặc lỗ trống xuyên qua nó, hiện hoạt động như một rào cản giữa hai vật liệu (hình thành rào cản có nghĩa là các ion bất động khuếch tán vào vùng P và N). Rào cản hiện được hình thành được gọi là vùng cạn kiệt . Chiều rộng của vùng suy giảm trong trường hợp này phụ thuộc vào nồng độ pha tạp trong vật liệu.
Nếu nồng độ pha tạp trong cả hai vật liệu bằng nhau thì các ion bất động khuếch tán vào cả hai vật liệu P và N như nhau.
Điều gì sẽ xảy ra nếu nồng độ pha tạp khác nhau?
Vâng, nếu sự pha tạp khác nhau, độ rộng của vùng suy giảm cũng khác nhau. Sự khuếch tán của nó nhiều hơn vào vùng pha tạp nhẹ và ít hơn vào vùng pha tạp nhiều .
Bây giờ chúng ta hãy xem hoạt động của diode khi điện áp thích hợp được áp dụng.
Diode in Forward Bias
Có một số điốt có cấu tạo giống nhau nhưng loại vật liệu sử dụng khác nhau. Ví dụ, nếu chúng ta xem xét một điốt phát quang, nó được làm bằng vật liệu Nhôm, Gali và Arsenide mà khi bị kích thích sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng. Tương tự, sự thay đổi trong các đặc tính của diode như điện dung bên trong, điện áp ngưỡng, v.v. được xem xét và một diode cụ thể được thiết kế dựa trên những đặc tính đó.
Ở đây chúng tôi đã giải thích các loại điốt khác nhau với cách làm việc, ký hiệu và ứng dụng của chúng:
- Điốt Zener
- Đèn LED
- Diode LASER
- Điốt quang
- Diode varactor
- Đèn Schottky
- Điốt đường hầm
- Diode PIN, v.v.
Cùng xem sơ qua nguyên lý hoạt động và cấu tạo của các thiết bị này.
Điốt Zener:
Vùng P và N trong diode này bị pha tạp nhiều nên vùng suy giảm rất hẹp. Không giống như một diode thông thường, điện áp đánh thủng của nó rất thấp, khi điện áp ngược lớn hơn hoặc bằng điện áp đánh thủng, vùng suy giảm sẽ biến mất và một điện áp không đổi đi qua diode ngay cả khi điện áp ngược được tăng lên. Do đó, diode được sử dụng để điều chỉnh điện áp và duy trì điện áp đầu ra không đổi khi được phân cực thích hợp. Đây là một ví dụ về giới hạn điện áp sử dụng Zener.
Sự cố trong diode Zener được gọi là sự cố zener . Nó có nghĩa là khi đặt điện áp ngược vào diode zener, một điện trường mạnh được tạo ra tại điểm nối đủ để phá vỡ các liên kết cộng hóa trị trong điểm nối và gây ra dòng điện lớn chạy qua. Sự cố Zener được gây ra ở điện áp rất thấp so với sự cố do tuyết lở.
Có một loại sự cố khác được đặt tên là đánh thủng do tuyết lở thường thấy trong diode bình thường đòi hỏi lượng điện áp ngược lớn để phá vỡ đường giao nhau. Nguyên lý hoạt động của nó là khi diode được phân cực ngược, dòng điện rò nhỏ đi qua diode, khi điện áp ngược càng tăng thì dòng rò cũng tăng, đủ nhanh để phá vỡ một số liên kết cộng hóa trị trong đường giao nhau, các hạt mang điện tích mới này tiếp tục bị phá vỡ các liên kết cộng hóa trị còn lại gây ra dòng điện rò rất lớn có thể làm hỏng diode mãi mãi.
Điốt phát sáng (LED):
Cấu tạo của nó tương tự như một diode đơn giản nhưng các kết hợp khác nhau của các chất bán dẫn được sử dụng để tạo ra các màu khác nhau. Nó hoạt động ở chế độ phân cực thuận. Khi sự tái kết hợp lỗ trống điện tử diễn ra, một photon được giải phóng sẽ phát ra ánh sáng, nếu điện áp chuyển tiếp tăng hơn nữa sẽ có nhiều photon được giải phóng và cường độ ánh sáng cũng tăng lên nhưng điện áp không được vượt quá giá trị ngưỡng của nó nếu không đèn LED sẽ bị hỏng.
Để tạo ra các màu khác nhau, các kết hợp được sử dụng AlGaAs (Aluminium Gali Arsenide) - đỏ và hồng ngoại, GaP (Gallium Phosphide) - vàng và xanh lục, InGaN (Indium Gallium Nitride) - LED xanh lam và cực tím, v.v. Kiểm tra mạch LED đơn giản đây.
Đối với đèn LED hồng ngoại, chúng ta có thể nhìn thấy ánh sáng của nó qua camera.
Diode LASER:
LASER là viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Một điểm tiếp giáp PN được tạo thành bởi hai lớp Gali Arsenide pha tạp, trong đó một lớp phủ phản xạ cao được áp dụng cho một đầu của điểm nối và một lớp phủ phản xạ một phần ở đầu kia. Khi diode được phân cực thuận tương tự như đèn LED, nó giải phóng các photon, các photon này va vào các nguyên tử khác để các photon sẽ được giải phóng quá mức, khi một photon chạm vào lớp phủ phản xạ và tấn công lại đường giao nhau một lần nữa sẽ giải phóng nhiều photon hơn, quá trình này lặp lại và tạo ra một chùm tia cường độ cao ánh sáng chỉ được phát ra theo một hướng. Diode laser cần có mạch Driver để hoạt động tốt.
Biểu diễn tượng trưng của một diode LASER tương tự như biểu diễn của LED.
Diode ảnh:
Trong một diode quang, dòng điện qua nó phụ thuộc vào năng lượng ánh sáng được đặt trên điểm nối PN. Nó được vận hành theo hướng ngược lại. Như đã thảo luận trước đó, dòng điện rò rỉ nhỏ chạy qua một diode khi phân cực ngược mà ở đây được gọi là dòng điện tối . Vì dòng điện là do thiếu ánh sáng (bóng tối) nên nó được gọi như vậy. Điốt này được cấu tạo theo cách mà khi ánh sáng chiếu vào đường giao nhau, nó đủ để phá vỡ các cặp lỗ trống điện tử và tạo ra các điện tử làm tăng dòng điện rò ngược. Tại đây bạn có thể kiểm tra Điốt quang hoạt động với đèn LED hồng ngoại.
Diode Varactor:
Nó còn được gọi là diode Varicap (tụ điện biến đổi). Nó hoạt động ở chế độ phân cực ngược. Định nghĩa chung về sự phân tách tụ điện của tấm dẫn điện với chất cách điện hoặc chất điện môi, khi một điốt bình thường bị phân cực ngược chiều rộng của vùng suy giảm sẽ tăng lên, vì vùng suy giảm biểu thị một chất cách điện hoặc một chất điện môi mà nó có thể hoạt động như một tụ điện. Với sự thay đổi của điện áp ngược gây ra sự phân tách các vùng P và N khác nhau, do đó dẫn đến diode hoạt động như một tụ điện biến đổi.
Vì điện dung tăng khi khoảng cách giữa các tấm giảm, điện áp ngược lớn có nghĩa là điện dung thấp và ngược lại.
Đèn Schottky:
Chất bán dẫn loại N được liên kết với kim loại (vàng, bạc) sao cho các điện tử mức năng lượng cao tồn tại trong điốt chúng được gọi là hạt tải điện nóng nên điốt này còn được gọi là điốt hạt tải điện nóng . Nó không có sóng mang thiểu số và không có vùng suy giảm tồn tại thay vì tồn tại một điểm nối bán dẫn kim loại, khi diode này được phân cực thuận, nó hoạt động dẫn điện nhưng điện tích có mức năng lượng cao giúp chuyển đổi nhanh chóng, đặc biệt là trong các mạch kỹ thuật số được sử dụng trong các ứng dụng vi sóng. Kiểm tra Diode Schottky đang hoạt động tại đây.
Diode đường hầm:
Vùng P và N trong diode này bị pha tạp nhiều nên sự tồn tại của sự cạn kiệt là rất hẹp. Nó thể hiện vùng kháng âm có thể được sử dụng như một bộ tạo dao động và bộ khuếch đại vi sóng. Khi điốt này được phân cực thuận trước tiên, vì vùng suy giảm thu hẹp đường hầm của các điện tử qua nó, dòng điện tăng nhanh với sự thay đổi nhỏ của điện áp. Khi tăng thêm hiệu điện thế, do thừa electron ở chỗ tiếp giáp, chiều rộng của vùng suy giảm bắt đầu tăng lên gây ra sự tắc nghẽn của dòng điện thuận (nơi hình thành vùng điện trở âm) khi tăng thêm điện áp thuận, nó hoạt động như một diode bình thường.
Diode PIN:
Trong diode này, vùng P và N được ngăn cách bởi một chất bán dẫn nội tại. Khi diode được phân cực ngược, nó hoạt động như một tụ điện có giá trị không đổi. Trong điều kiện phân cực thuận, nó hoạt động như một điện trở thay đổi được điều khiển bởi dòng điện. Nó được sử dụng trong các ứng dụng vi sóng được điều khiển bằng điện áp DC.
Biểu diễn tượng trưng của nó tương tự như một diode PN bình thường.
Các ứng dụng của Điốt:
- Nguồn điện điều chỉnh: Thực tế không thể tạo ra điện áp một chiều, loại nguồn duy nhất có sẵn là điện áp xoay chiều. Vì điốt là thiết bị một chiều nên nó có thể được sử dụng để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành DC xung và với các phần lọc tiếp theo (sử dụng tụ điện và cuộn cảm) có thể thu được điện áp DC gần đúng.
- Mạch điều chỉnh: Trong các hệ thống thông tin liên lạc ở đầu thu vì ăng-ten nhận được tất cả các tần số vô tuyến có sẵn trong không gian nên cần phải chọn một tần số mong muốn. Vì vậy, mạch điều chỉnh được sử dụng không có gì khác ngoài mạch có tụ điện và cuộn cảm thay đổi được. Trong trường hợp này có thể sử dụng một diode varactor.
- Ti vi, đèn giao thông, bảng hiển thị: Để hiển thị hình ảnh trên TV hoặc trên bảng hiển thị, người ta sử dụng đèn LED. Vì đèn LED tiêu thụ rất ít điện năng nên nó được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống chiếu sáng như bóng đèn LED.
- Bộ điều chỉnh điện áp: Vì điốt Zener có điện áp đánh thủng rất thấp nên nó có thể được sử dụng như một bộ điều chỉnh điện áp khi phân cực ngược.
- Máy dò trong hệ thống truyền thông: Máy dò nổi tiếng sử dụng diode là máy dò Envelope được sử dụng để phát hiện các đỉnh của tín hiệu được điều chế.