Định nghĩa: Diode là một linh kiện bán dẫn điện tử chỉ cho phép dòng điện chạy qua nó theo một hướng (từ anode đến cathode), và chặn dòng điện theo hướng ngược lại.Ký hiệu: Trong sơ đồ mạch điện, diode thường được ký hiệu bằng một tam giác chỉ hướng dòng điện, và một vạch thẳng đứng chặn ở phía đối diện.Cấu tạo: Diode thường được làm từ vật liệu bán dẫn như silicon hoặc germanium, và được tạo thành từ hai lớp vật liệu loại P (chứa nhiều lỗ trống mang điện tích dương) và loại N (chứa nhiều electron mang điện tích âm).
Phân cực thuận (Forward Bias): Khi điện áp dương được đặt vào anode và điện áp âm được đặt vào cathode, diode được phân cực thuận. Điện áp này phải vượt qua một ngưỡng điện áp nhất định (thường là khoảng 0.7V đối với diode silicon và 0.3V đối với diode germanium) thì diode mới bắt đầu dẫn điện mạnh.Phân cực ngược (Reverse Bias): Khi điện áp âm được đặt vào anode và điện áp dương được đặt vào cathode, diode được phân cực ngược. Lúc này, diode gần như không dẫn điện, chỉ có một dòng điện rất nhỏ (dòng rò) chạy qua. Nếu điện áp ngược vượt quá một giá trị nhất định (điện áp đánh thủng), diode có thể bị hỏng.
Điện áp thuận (Forward Voltage - Vf): Điện áp cần thiết để diode bắt đầu dẫn điện mạnh khi được phân cực thuận.Dòng điện thuận (Forward Current - If): Dòng điện tối đa mà diode có thể chịu được khi được phân cực thuận.Điện áp ngược tối đa (Peak Inverse Voltage - PIV hoặc VRRM): Điện áp ngược tối đa mà diode có thể chịu được mà không bị đánh thủng.Dòng điện ngược (Reverse Current - Ir): Dòng điện nhỏ chạy qua diode khi được phân cực ngược.Thời gian phục hồi ngược (Reverse Recovery Time - trr): Thời gian cần thiết để diode ngừng dẫn điện sau khi chuyển từ trạng thái phân cực thuận sang phân cực ngược. Thông số này quan trọng đối với các ứng dụng tần số cao.
Diode chỉnh lưu (Rectifier Diode): Loại diode thông dụng nhất, được sử dụng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC).Diode Zener: Được thiết kế để hoạt động ở vùng đánh thủng ngược một cách an toàn. Chúng được sử dụng để ổn định điện áp.Diode Schottky: Có điện áp thuận thấp hơn và tốc độ chuyển mạch nhanh hơn so với diode chỉnh lưu thông thường.Diode phát quang (LED - Light Emitting Diode): Phát ra ánh sáng khi dòng điện chạy qua.Diode quang (Photodiode): Dẫn điện khi có ánh sáng chiếu vào.Diode biến dung (Varactor Diode): Điện dung của diode thay đổi theo điện áp ngược đặt vào.Diode Tunnel: Có đặc tính dẫn điện rất đặc biệt, được sử dụng trong các ứng dụng tần số cao.Diode chỉnh lưu (Rectifier Diode):
Các loại nhỏ hơn: Diode chỉnh lưu tiêu chuẩn: Thường được làm từ silicon, được sử dụng cho các ứng dụng chỉnh lưu thông thường. Diode chỉnh lưu nhanh: Có thời gian phục hồi ngược nhanh hơn, phù hợp cho các ứng dụng tần số cao hơn. Diode chỉnh lưu cầu (Bridge Rectifier): Thực chất là một mạch cầu chỉnh lưu được tích hợp trong một gói duy nhất, giúp đơn giản hóa việc thiết kế mạch chỉnh lưu toàn sóng.
Diode Zener: Ứng dụng mở rộng: Ngoài việc ổn định điện áp, diode Zener còn được sử dụng trong các mạch cắt (clipping circuits) để giới hạn biên độ tín hiệu.
Diode Schottky: Ưu điểm chính: Điện áp thuận thấp giúp giảm tổn thất công suất và tăng hiệu quả trong các ứng dụng chuyển mạch. Ứng dụng: Bộ chỉnh lưu trong bộ nguồn chuyển mạch, bảo vệ chống phân cực ngược.
Diode phát quang (LED - Light Emitting Diode): Các biến thể: LED thông thường: Phát ra ánh sáng đơn sắc (một màu). RGB LED: Chứa ba diode LED (đỏ, lục, lam) trong một gói, cho phép tạo ra nhiều màu sắc khác nhau. LED công suất cao: Được thiết kế để phát ra ánh sáng mạnh hơn và thường cần tản nhiệt.
Diode quang (Photodiode): Các chế độ hoạt động: Chế độ quang dẫn (Photoconductive Mode): Diode được phân cực ngược và dòng điện chạy qua diode tỷ lệ với cường độ ánh sáng. Chế độ quang điện (Photovoltaic Mode): Diode không được phân cực và tạo ra điện áp khi có ánh sáng chiếu vào (tương tự như tế bào năng lượng mặt trời).
Các loại: PIN Photodiode: Có lớp nội tại giữa P và N, tăng độ nhạy. Avalanche Photodiode (APD): Sử dụng hiệu ứng avalanche để nhân tín hiệu, tăng độ nhạy hơn nữa.
Diode biến dung (Varactor Diode): Tên gọi khác: Varicap diode, tuning diode. Ứng dụng: Mạch điều chỉnh tần số trong radio, bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO).
Để phân loại diode, người ta thường dựa trên các yếu tố sau: Vật liệu bán dẫn: Silicon, Germanium, Gallium Arsenide, Silicon Carbide, v.v. Cấu trúc: P-N, PIN, Schottky, v.v. Chức năng: Chỉnh lưu, Zener, LED, Photodiode, v.v. Thông số kỹ thuật: Điện áp, dòng điện, tần số, v.v.
Chỉnh lưu: Biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều trong các bộ nguồn.Bảo vệ mạch: Ngăn chặn dòng điện chạy ngược chiều, bảo vệ các linh kiện khác trong mạch.Điều khiển tín hiệu: Sử dụng trong các mạch logic, mạch chuyển mạch.Tạo dao động: Sử dụng trong các mạch tạo dao động tần số cao.Hiển thị: Sử dụng trong các đèn LED hiển thị.Cảm biến ánh sáng: Sử dụng trong các mạch cảm biến ánh sáng.Ổn định điện áp: Sử dụng diode Zener để tạo ra điện áp ổn định.
Nhiệt độ: Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến đặc tính của diode. Cần đảm bảo diode hoạt động trong phạm vi nhiệt độ cho phép.Công suất: Cần chọn diode có công suất phù hợp với ứng dụng. Nếu diode bị quá tải, nó có thể bị hỏng.Phân cực: Cần đảm bảo phân cực đúng cho diode. Nếu phân cực sai, diode có thể không hoạt động hoặc bị hỏng.Điện áp ngược: Không được để điện áp ngược vượt quá điện áp ngược tối đa (PIV) của diode.
7. Kiểm tra diode bằng đồng hồ vạn năng
Chế độ kiểm tra diode (Diode Test): Ở chế độ này, đồng hồ vạn năng sẽ cung cấp một điện áp nhỏ giữa que đo dương (thường là màu đỏ) và que đo âm (thường là màu đen). Điện áp này thường là khoảng 2-3V.Phân cực thuận: Khi bạn kết nối que đo dương với anode và que đo âm với cathode (phân cực thuận), nếu diode hoạt động bình thường, đồng hồ sẽ hiển thịđiện áp thuận (Vf) của diode. Điện áp này thường nằm trong khoảng 0.3-0.8V đối với diode silicon và 0.2-0.4V đối với diode germanium.Phân cực ngược: Khi bạn kết nối que đo dương với cathode và que đo âm với anode (phân cực ngược), đồng hồ sẽ hiển thịOL (Overload) hoặc một giá trị rất cao, cho thấy diode không dẫn điện.
Sự khác biệt chính giữa diode silicon và diode germanium:
Diode Silicon: Sử dụng vật liệu bán dẫn chính làsilicon (Si) . Đây là loại diode phổ biến nhất hiện nay.Diode Germanium: Sử dụng vật liệu bán dẫn chính làgermanium (Ge) . Loại diode này ít được sử dụng hơn so với diode silicon.
Diode Silicon: Điện áp thuận thường nằm trong khoảng0.3 - 0.8V . Nghĩa là cần một điện áp khoảng 0.3 - 0.8V đặt vào diode silicon để nó bắt đầu dẫn điện mạnh.Diode Germanium: Điện áp thuận thấp hơn, thường nằm trong khoảng0.2 - 0.3V . Điều này có nghĩa là diode germanium dẫn điện dễ dàng hơn diode silicon khi điện áp đặt vào nhỏ.
Diode Silicon: Dòng điện ngược thường rất nhỏ, thường là nanoampe (nA) hoặc microampe (µA). Điều này cho thấy diode silicon chặn dòng điện ngược rất tốt.Diode Germanium: Dòng điện ngược lớn hơn đáng kể so với diode silicon. Điều này có nghĩa là diode germanium có khả năng chặn dòng điện ngược kém hơn.
Diode Silicon: Có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, thường lên đến150°C hoặc cao hơn .Diode Germanium: Giới hạn nhiệt độ hoạt động thấp hơn, thường chỉ khoảng75 - 100°C .
Diode Silicon: Thường có thể hoạt động ở tần số cao hơn so với diode germanium.Diode Germanium: Ít phù hợp với các ứng dụng tần số cao do các đặc tính chậm chạp hơn.
Diode Silicon: Thường rẻ hơn diode germanium vì silicon là một vật liệu phổ biến và dễ sản xuất hơn.Diode Germanium: Đắt hơn và khó kiếm hơn.
Diode Silicon: Được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ứng dụng điện tử, bao gồm chỉnh lưu, bảo vệ mạch, diode Zener, LED, v.v.Diode Germanium: Trước đây được sử dụng phổ biến, nhưng hiện nay ít được sử dụng hơn do các nhược điểm về dòng điện ngược và nhiệt độ hoạt động. Đôi khi được sử dụng trong các mạch dò tín hiệu radio tần số thấp hoặc các ứng dụng đặc biệt cần điện áp thuận thấp.
Khả năng chịu nhiệt tốt hơn: Diode silicon hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao hơn, làm cho chúng đáng tin cậy hơn trong nhiều ứng dụng.Dòng điện ngược nhỏ hơn: Dòng điện ngược nhỏ giúp giảm tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu suất của mạch.Giá thành rẻ hơn: Silicon là một vật liệu phong phú và quy trình sản xuất diode silicon đã được tối ưu hóa, làm cho chúng có giá cả phải chăng hơn.
Đặc điểm: Thường được làm từ silicon. Điện áp thuận (Vf) khoảng 0.3 - 0.8V. Thời gian phục hồi ngược (trr) tương đối chậm (vài micro giây).
Ứng dụng: Bộ nguồn công suất thấp đến trung bình: Ví dụ như bộ sạc điện thoại, adapter cho các thiết bị điện tử nhỏ.Tần số thấp (50/60 Hz): Phù hợp với tần số lưới điện thông thường.
Ưu điểm: Giá thành rẻ. Dễ dàng tìm kiếm.
Nhược điểm: Thời gian phục hồi ngược chậm có thể gây ra tổn thất công suất và nhiễu trong các ứng dụng tần số cao.
Đặc điểm: Thường được làm từ silicon hoặc các vật liệu bán dẫn khác. Điện áp thuận tương tự như diode chỉnh lưu tiêu chuẩn. Thời gian phục hồi ngược (trr) nhanh hơn nhiều (vài chục đến vài trăm nano giây).
Ứng dụng: Bộ nguồn chuyển mạch (Switching Mode Power Supplies - SMPS): Được sử dụng rộng rãi trong các bộ nguồn máy tính, bộ nguồn cho các thiết bị điện tử công suất lớn.Mạch chỉnh lưu tần số cao: Phù hợp với các ứng dụng có tần số chuyển mạch cao.
Ưu điểm: Giảm tổn thất công suất và nhiễu ở tần số cao. Hiệu suất cao hơn so với diode chỉnh lưu tiêu chuẩn trong các ứng dụng SMPS.
Nhược điểm: Giá thành cao hơn so với diode chỉnh lưu tiêu chuẩn.
Đặc điểm: Sử dụng một tiếp giáp kim loại - bán dẫn thay vì tiếp giáp P-N. Điện áp thuận (Vf) rất thấp (0.2 - 0.4V).Thời gian phục hồi ngược (trr) cực kỳ nhanh (vài pico giây).
Ứng dụng: Bộ nguồn chuyển mạch tần số cao: Đặc biệt phù hợp với các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao và tổn thất thấp.Chỉnh lưu đồng bộ (Synchronous Rectification): Được sử dụng để thay thế các diode chỉnh lưu thông thường bằng các MOSFET, giúp giảm tổn thất công suất đáng kể.Bảo vệ chống phân cực ngược: Do điện áp thuận thấp, diode Schottky có thể được sử dụng để bảo vệ mạch khỏi phân cực ngược.
Ưu điểm: Hiệu suất cao nhất trong các ứng dụng tần số cao. Tổn thất công suất thấp nhất.
Nhược điểm: Điện áp ngược tối đa (VRRM) thường thấp hơn so với diode chỉnh lưu tiêu chuẩn và diode chỉnh lưu nhanh. Giá thành cao hơn.
Đặc điểm: Được làm từ vật liệu silicon carbide. Điện áp thuận (Vf) cao hơn một chút so với diode Schottky nhưng vẫn thấp hơn diode chỉnh lưu tiêu chuẩn. Thời gian phục hồi ngược (trr) cực kỳ nhanh .Khả năng chịu nhiệt và điện áp cao tốt hơn so với diode silicon.
Ứng dụng: Bộ nguồn công suất cao: Sử dụng trong các ứng dụng như bộ sạc EV (xe điện), bộ nguồn cho hệ thống năng lượng mặt trời, và các ứng dụng công nghiệp.Các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao và độ tin cậy cao:
Ưu điểm: Hiệu suất cao ở tần số cao và điện áp cao. Độ tin cậy cao.
Nhược điểm: Giá thành cao nhất.
Bộ sạc điện thoại di động: Thường sử dụng diode chỉnh lưu tiêu chuẩn hoặc diode Schottky (nếu yêu cầu hiệu suất cao hơn).Bộ nguồn máy tính: Thường sử dụng diode chỉnh lưu nhanh hoặc diode Schottky.Bộ sạc xe điện (EV Charger): Thường sử dụng diode SiC để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy cao.
Điện áp ngược tối đa (VRRM): Phải đủ lớn để chịu được điện áp đỉnh của nguồn AC.Dòng điện thuận trung bình (IF(AV)): Phải đủ lớn để đáp ứng nhu cầu dòng điện của tải.Thời gian phục hồi ngược (trr): Quan trọng đối với các ứng dụng tần số cao.Điện áp thuận (VF): Ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ nguồn.Công suất tiêu tán (PD): Cần đảm bảo diode không bị quá nhiệt.
