Diode là gì? Cấu tạo của diode (điốt)-Nguyên Lý Diode
Trong số các linh kiện bán dẫn cơ bản, diode (điốt) là thành phần quen thuộc và cực kỳ quan trọng trong hầu hết các mạch điện tử. Diode có khả năng dẫn điện theo một chiều và chặn dòng ngược – đây là nguyên lý hoạt động cốt lõi đến từ cấu tạo diode. Vậy chính xác cấu tạo diode là gì, gồm những phần nào và chúng hoạt động ra sao? Cùng tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây.
1. Khái niệm diode
Diode (hay còn gọi là điốt) là một linh kiện bán dẫn có hai cực: cực dương (anode) và cực âm (cathode). Chức năng chính của diode là cho dòng điện đi qua theo một chiều (từ anode sang cathode) và ngăn không cho dòng điện đi theo chiều ngược lại.
Diode hoạt động dựa trên nguyên lý của tiếp giáp giữa hai loại bán dẫn P và N, tạo thành cấu trúc PN. Nhờ đặc tính chỉnh lưu dòng điện, diode được ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện tử: chỉnh lưu, bảo vệ mạch, tách sóng, ổn áp, điều chế tín hiệu, chống ngược cực,...
2. Ký hiệu của điốt
3. Cấu tạo của diode - Điốt
Cấu tạo của điốt bao gồm:
Cấu tạo của diode cơ bản gồm 3 thành phần chính:
Lớp bán dẫn loại P (Positive – dương):
Đây là vùng có chứa nhiều lỗ trống (thiếu electron), còn gọi là hạt mang điện tích dương.
Lớp P đóng vai trò là cực Anode (cực dương) của điốt.
Lớp bán dẫn loại N (Negative – âm):
Vùng chứa nhiều electron tự do (hạt mang điện tích âm).
Lớp N tạo thành cực Cathode (cực âm) của diode.
Vùng tiếp giáp P-N (junction):
Là nơi hai lớp bán dẫn P và N tiếp xúc với nhau.
Đây là vùng quyết định đặc tính dẫn điện một chiều của cấu tạo diode.
Tại đây hình thành lớp điện tích không dẫn điện – còn gọi là vùng nghèo (depletion layer), có vai trò kiểm soát dòng điện.
Ngoài 3 phần chính trên, cấu tạo của điốt còn có:
Lớp vỏ bảo vệ (thường bằng nhựa hoặc thủy tinh): bảo vệ diode khỏi tác động vật lý và môi trường.
Chân dẫn điện: nối cực dương và cực âm với mạch ngoài.
Xem thêm: Đèn điốt (diode) phát quang là gì? Nguyên lý – công dụng
3. Nguyên lý làm việc của điốt
Cấu tạo của điốt ảnh hưởng như nào đến nguyên lý làm việc của linh kiện này. Cùng chúng tôi tìm hiểu nội dung dưới đây.
Khối bán dẫn P chứa nhiều lỗ trống mang điện tích dương, khi ghép vào khối N thì các lỗ trống chuyển động và khuếch tán sang khối N. Bên cạnh đó khối P lại nhận thêm điện tử(điện tích âm) từ khối N chuyển sang. Kết quả khối P tích điện âm và khối N tích điện dương.
Ở biên giới tiếp giáp, một số hạt mang điện tích bị thu hút và kết hợp với nhau tạo thành nguyên tử trung hòa. Quá trình chuyển hóa có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng hình thành điện áp tiếp xúc.
Khối P mang điện tích âm do nhận electron và dương khối N hình thành điện áp có tên điện áp tiếp xúc(UTX). Điện trường sinh ra ra bởi điện áp làm cản trở chuyển động khuếch tán, sau một thời gian chuyển động chấm dứt, tồn tại điện áp tiếp xúc, khối N và P ở trạng thái cân bằng. 0.6V đối với bán dẫn Si và 0.3V với bán dẫn GE.
Điốt chỉ cho phép dòng điện qua khi đặt điện áp theo hướng nhất định.
Tham khảo thêm: Công dụng của điốt
5. Các loại diode thông dụng nhất hiện nay
5.1 Diode biến dung
Diode biến dung là loại diode có điện dung thay đổi khi thay đổi điện áp phân cực ngược đặt vào nó.
Loại diode này được sử dụng phổ biến trong các mạch dao động, mạch điều hưởng (tuning circuits), như trong radio hoặc TV, nơi cần thay đổi tần số cộng hưởng của mạch mà không dùng bộ phận cơ khí.
Diode biến dung hoạt động như một tụ điện điều khiển được bằng điện áp.
5.2 Diode xung
Diode xung là loại diode chuyên dụng để dẫn các tín hiệu điện có dạng xung với tốc độ cao.
Diode xung có thời gian chuyển mạch rất nhanh, ít tổn hao năng lượng, thường được sử dụng trong các mạch chuyển đổi điện áp cao tần, mạch xung logic, hoặc các mạch xung đòi hỏi độ chính xác cao về thời gian.
5.3 Diode tách sóng
Diode tách sóng được dùng để lấy tín hiệu điều biên (AM) từ sóng mang trong các mạch thu sóng radio hoặc thiết bị thu tín hiệu không dây.
Loại diode này hoạt động dựa trên nguyên lý chỉnh lưu một phần của sóng và lọc ra tín hiệu gốc.
Diode tách sóng thường xuất hiện trong các mạch thu sóng analog đơn giản.
5.4 Diode nắn điện
Là loại diode tiêu chuẩn dùng để chuyển đổi dòng xoay chiều (AC) thành dòng một chiều (DC).
Khi dòng AC đi qua, diode chỉ cho dòng chạy theo một chiều (bán kỳ dương) và chặn chiều ngược lại, tạo nên dòng DC dạng xung.
Loại diode này có thể hoạt động ở dòng cao, điện áp lớn, và thường được dùng trong các bộ sạc, mạch nguồn tuyến tính, máy biến áp, mạch cấp nguồn công nghiệp.
5.5 Diode chỉnh lưu
Cụm từ này thường được dùng thay thế cho “diode nắn điện” nhưng khi nói riêng biệt, diode chỉnh lưu thường đề cập đến những diode có công suất lớn, được thiết kế chuyên dụng cho mục đích chuyển đổi AC sang DC trong hệ thống điện áp và dòng cao.
Ví dụ: diode chỉnh lưu cầu (bridge diode), hoặc diode chỉnh lưu công suất trong máy hàn, UPS, hệ thống năng lượng mặt trời.
5.6 Diode tín hiệu
Loại diode có kích thước nhỏ, dòng hoạt động thấp, thường chỉ vài mA đến vài chục mA, điện áp ngược khoảng 50–100V.
Có thời gian chuyển mạch rất nhanh và thường dùng trong mạch logic, mạch bảo vệ, mạch so sánh và phân tích tín hiệu.
Một số diode tín hiệu thông dụng: 1N4148 (diode tốc độ cao), 1N34 (diode germanium cho mạch tách sóng). Diode tín hiệu dễ phân biệt với diode chỉnh lưu bởi kích thước nhỏ và chân mảnh.
5.7 Diode Schottky
Diode Schottky sử dụng tiếp xúc kim loại – bán dẫn thay vì tiếp giáp P-N như diode thường, điều này giúp điện áp rơi thuận thấp hơn (0.2–0.4V so với 0.7V ở silicon diode thông thường) và thời gian chuyển mạch cực nhanh.
Chúng lý tưởng trong các mạch yêu cầu tốc độ cao như nguồn xung, mạch vi xử lý, hoặc các bộ nguồn DC-DC. Schottky còn có độ nhiễu thấp, tổn hao nhiệt ít nhưng lại kém về điện áp ngược (thường chỉ vài chục volt).
5.6 Diode Zener
Diode Zener hoạt động ngược với các diode thông thường khi được phân cực ngược: nó không bị phá hủy mà giữ điện áp ổn định ở một mức xác định gọi là điện áp Zener (Vz).
Khi điện áp vượt quá Vz, dòng điện tăng đột ngột nhưng điện áp giữ nguyên. Nhờ vậy, diode Zener được sử dụng trong mạch ổn áp, bảo vệ quá áp, mạch giới hạn điện áp và mạch so sánh điện áp.
Có nhiều loại điện áp Zener từ vài volt đến vài trăm volt.
5.7 Diode LED (Light Emitting Diode)
LED là loại diode phát quang khi có dòng điện đi qua. Thay vì chỉ dẫn dòng như diode thường, LED chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng nhìn thấy được.
Màu sắc phát ra tùy thuộc vào chất liệu bán dẫn cấu thành. Đặc điểm của LED là độ sáng cao, tiêu thụ điện năng thấp, tuổi thọ dài.
Được ứng dụng từ chiếu sáng, màn hình, hiển thị bảng điện tử đến đèn báo trạng thái trong các thiết bị điện tử.
5.8 Diode cầu (Bridge Rectifier)
Diode cầu không phải là một diode riêng lẻ mà là mạch gồm 4 diode ghép thành hình cầu để thực hiện chỉnh lưu toàn chu kỳ.
Nó cho phép biến dòng điện AC thành DC hiệu quả hơn, cung cấp dòng ổn định hơn so với chỉnh lưu nửa chu kỳ.
Cấu trúc này rất phổ biến trong các bộ sạc, mạch nguồn điện tử, và được tích hợp sẵn thành dạng linh kiện nhỏ gọn, gọi là “IC diode cầu”.
6. Ứng dụng của diode
Dưới đây là tổng hợp các ứng dụng phổ biến của diode trong điện – điện tử, từ dân dụng đến công nghiệp:
1. Chỉnh lưu điện (nắn dòng AC thành DC)
Đây là ứng dụng phổ biến nhất của diode. Khi lắp trong mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ hoặc toàn chu kỳ (dùng diode cầu), diode sẽ chỉ cho phép dòng điện đi qua một chiều, giúp biến đổi dòng xoay chiều (AC) thành dòng một chiều (DC).
Ứng dụng: nguồn điện adapter, sạc điện thoại, bộ cấp nguồn cho thiết bị điện tử.
2. Bảo vệ mạch điện
Diode có thể ngăn dòng điện chạy ngược, bảo vệ các linh kiện dễ hỏng như transistor, IC, tụ... khỏi bị quá áp hoặc dòng ngược. Ví dụ, diode bảo vệ ngược cực sẽ ngắt mạch nếu người dùng cắm sai cực nguồn.
Ứng dụng: mạch điện tử công suất, bộ điều khiển vi xử lý, xe điện, Arduino…
3. Ổn áp điện áp với diode Zener
Diode Zener được dùng để giữ điện áp ổn định ở đầu ra, bất kể đầu vào dao động (trong giới hạn). Khi điện áp vượt quá điện áp Zener, diode sẽ dẫn dòng để giữ điện áp không đổi.
Ứng dụng: mạch nguồn ổn áp, mạch bảo vệ quá áp, mạch chia điện áp.
4. Tách sóng tín hiệu (giải điều chế)
Trong radio hoặc mạch thu sóng AM/FM, diode được dùng để tách sóng mang khỏi tín hiệu gốc, giữ lại phần thông tin âm thanh hoặc dữ liệu cần thiết.
Ứng dụng: máy radio, thiết bị thu sóng RF, tivi analog.
5. Phát sáng (Diode LED)
LED là một loại diode đặc biệt có khả năng phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận. Tùy vào chất liệu chế tạo, LED có thể phát ra nhiều màu sắc khác nhau.
Ứng dụng: đèn LED chiếu sáng, đèn báo hiệu, bảng quảng cáo, đèn giao thông, đèn flash điện thoại…
>>Xem thêm: Công dụng của đèn LED
6. Tạo tín hiệu xung hoặc mạch logic
Trong các mạch kỹ thuật số, diode được dùng để tạo ra tín hiệu logic “và”, “hoặc” hoặc tách tín hiệu điện áp. Cũng được dùng để trễ tín hiệu (delay) hoặc chặn chiều dòng không mong muốn.
Ứng dụng: vi điều khiển, PLC, mạch điều khiển công nghiệp.
7. Ứng dụng trong mạch dao động và tần số
Diode biến dung (varicap) được dùng để điều chỉnh tần số cộng hưởng trong các mạch dao động VCO (Voltage Controlled Oscillator), bộ thu sóng radio hay truyền hình.
Ứng dụng: bộ điều hưởng FM, máy phát tín hiệu, thiết bị đo sóng.
8. Diode Schottky – dùng trong mạch tốc độ cao
Do có điện áp rơi thấp và thời gian phục hồi rất nhanh, diode Schottky rất thích hợp cho các mạch xung tốc độ cao, mạch chuyển mạch, bộ nguồn xung và mạch vi xử lý.
Ứng dụng: nguồn xung SMPS, mạch CPU, bo mạch điện tử hiện đại.
9. Mạch cảm biến và đo lường
Diode đôi khi được dùng làm cảm biến đo nhiệt độ (vì điện áp rơi qua diode thay đổi theo nhiệt độ). Ngoài ra, diode phát sáng hồng ngoại còn dùng trong cảm biến vật cản, cảm biến ánh sáng.
Ứng dụng: robot, đèn tự động bật, cảm biến IR trong remote…
9. Cách đo diode bằng đồng hồ vạn năng
Dụng cụ cần chuẩn bị
Đồng hồ vạn năng (Multimeter) – ưu tiên loại số (digital) nhưng loại kim (analog) vẫn sử dụng được.
Một diode cần kiểm tra (có thể là diode rời, hoặc đang gắn trên mạch).
Các bước kiểm tra diode bằng đồng hồ số
Bước 1: Chuyển đồng hồ sang chế độ kiểm tra diode
Biểu tượng thường là hình mũi tên tam giác trỏ vào gạch ngang (ký hiệu diode).
Nếu không có, có thể chọn chế độ đo điện trở (Ω) cũng được.
Bước 2: Đặt que đo đúng chiều
Que đỏ vào chân Anode (cực dương).
Que đen vào chân Cathode (cực âm).
Nếu là diode bình thường: Cathode thường đánh dấu vạch trắng.
Bước 3: Quan sát kết quả
Nếu diode tốt: Đồng hồ hiện giá trị điện áp rơi từ 0.5 – 0.8V (thường 0.6V cho silicon diode).
Nếu đổi ngược que mà đồng hồ hiện OL (Over Limit) hoặc không hiện gì → Diode vẫn tốt.
Bước 4: Trường hợp bất thường
Nếu cả hai chiều đều hiện giá trị điện áp → Diode bị dò (rò điện, hỏng).
Nếu cả hai chiều đều OL → Diode bị đứt.
Nếu cả hai chiều đều hiện “0” → Diode bị chập (ngắn mạch).
Cách kiểm tra diode bằng đồng hồ kim (analog)
Chuyển sang thang đo điện trở x1 hoặc x10
Nối que đen vào cực dương (Anode), que đỏ vào cực âm (Cathode).
Nếu kim đồng hồ lên: diode dẫn điện 1 chiều.
Đảo ngược que mà kim không lên: diode vẫn tốt.
Nếu kim lên cả hai chiều hoặc không lên chiều nào: diode đã hỏng.
Lưu ý khi kiểm tra diode gắn trên mạch
Nếu đo trực tiếp trên mạch, kết quả có thể sai lệch do ảnh hưởng của các linh kiện xung quanh.
Nếu cần chính xác: tách 1 chân diode ra khỏi mạch rồi mới đo.
Mẹo nhận biết cực của diode
Cực âm (Cathode) thường có vạch trắng hoặc biểu tượng “-”.
Trên sơ đồ: Diode ký hiệu là mũi tên → đầu mũi tên là Anode, đầu gạch là Cathode.
Diode là một trong những linh kiện bán dẫn cơ bản nhưng lại đóng vai trò thiết yếu trong gần như mọi mạch điện tử hiện đại. Từ khả năng chỉnh lưu, ổn áp, tách sóng đến phát quang – mỗi loại diode lại có những ứng dụng riêng biệt phù hợp với từng mục đích kỹ thuật. Việc hiểu rõ cấu tạo diode, nguyên lý hoạt động, cũng như cách kiểm tra và lựa chọn đúng loại diode sẽ giúp bạn khai thác tối đa hiệu quả trong thiết kế và sửa chữa mạch.
Hy vọng bài viết đã cung cấp cho bạn cái nhìn đầy đủ, dễ hiểu và hữu ích về diode. Nếu bạn đang tìm hiểu sâu hơn về linh kiện điện tử, đừng bỏ lỡ các bài viết liên quan như: transistor, IC khuếch đại, mạch chỉnh lưu, hay LED chiếu sáng công nghiệp.
Tham khảo thêm các linh kiện, phụ kiện khác của đèn LED:
