Diode Là Gì? Tìm Hiểu Cấu Tạo, Nguyên Lý, Và Ứng Dụng

Trong lĩnh vực điện tử, diode là một linh kiện bán dẫn vô cùng quan trọng và phổ biến. Dù xuất hiện với kích thước nhỏ nhưng diode lại giữ vai trò “xương sống” trong nhiều thiết kế mạch, từ biến đổi dòng điện đến bảo vệ linh kiện. Qua bài viết này, Chipstack sẽ cùng tìm hiểu diode là gì, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các loại diode phổ biến và ứng dụng rộng rãi của chúng trong thực tế.

Diode là gì?

1. Tổng quan về diode

Điốt (Diode) bán dẫn, thường được gọi tắt là Điốt, là một linh kiện điện tử bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều duy nhất. Nói cách khác, dòng điện sẽ đi từ anode (A) sang cathode (K) mà không thể chạy ngược lại.

Điốt thường có cấu tạo chung từ một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N, nơi tiếp giáp giữa hai khối này chính là điểm cốt lõi quyết định khả năng dẫn điện một chiều.

2. Lịch sử hình thành

Điốt chính là linh kiện bán dẫn đầu tiên được con người tạo ra. Khả năng chỉnh lưu của tinh thể bán dẫn được nhà vật lý người Đức Ferdinand Braun phát hiện vào năm 1874. Đến khoảng năm 1906, các điốt bán dẫn đầu tiên được chế tạo từ tinh thể khoáng vật galena. Hiện nay, đa số các điốt đều được sản xuất từ silic (Si), nhưng trong một số ứng dụng đặc biệt, germani (Ge) hoặc selen vẫn được sử dụng.

3. Mạch chỉnh lưu

Mạch chỉnh lưu là một mạch điện giúp biến đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC). Thông thường, chúng ta dễ bắt gặp mạch chỉnh lưu trong bộ nguồn một chiều hoặc mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến. Trong mạch chỉnh lưu, các diode bán dẫn (hoặc đèn chỉnh lưu thủy ngân, hoặc linh kiện tương tự) sẽ “lọc” hoặc “điều khiển” dòng điện, giúp đáp ứng yêu cầu về nguồn điện một chiều ổn định cho thiết bị.

Phân loại Điốt

1. Điốt chỉnh lưu (Rectifier Diode)

Hoạt động ở tần số thấp, chịu được dòng điện lớn.
Điện áp ngược chịu đựng có thể lên đến 1000V.
Ứng dụng: Chuyển đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều trong mạch nguồn.

2. Điốt phát quang (LED – Light Emitting Diode)

Thường được gọi là đèn LED.
Ứng dụng: Đèn chiếu sáng, đèn báo hiệu, biển quảng cáo, trang trí.

3. Điốt Zener

Còn gọi là điốt đánh thủng (điốt ổn áp).
Làm việc ở chế độ phân cực ngược, duy trì điện áp cố định khi vượt quá giá trị ghim.
Ứng dụng: Ổn áp trong mạch nguồn điện áp thấp, bảo vệ chống quá áp.

4. Điốt quang (Photodiode)

Chuyển đổi tín hiệu quang học (ánh sáng) thành tín hiệu điện.
Ứng dụng: Cảm biến ánh sáng, mạch nhận tín hiệu quang, remote điều khiển từ xa.

5. Điốt Schottky

Có điện áp sụt thấp, tần số đáp ứng cao.
Ứng dụng: Mạch nguồn xung, thiết bị điện tử cao tần.

6. Điốt hạn xung hai chiều (TVS Diode)

Đáp ứng tốt ở tần số cao (vài chục kHz đến MHz).
Ứng dụng: Bo nguồn xung, thiết bị cao tần, bảo vệ quá áp đột biến.

7. Điốt Tunnel (Tunnel Diode)

Tận dụng hiệu ứng “đường hầm” lượng tử.
Ứng dụng: Các mạch cao tần, linh kiện chuyển mạch tốc độ cực nhanh.

8. Điốt biến dung (Varicap hoặc Varactor)

Điều chỉnh điện dung nội tại khi thay đổi điện áp phân cực ngược.
Ứng dụng: Mạch điều hưởng tần số cao (từ 50MHz trở lên), bộ cộng hưởng, mạch vô tuyến.

Ký hiệu của Diode

Mỗi loại điốt khi xuất hiện trên sơ đồ mạch điện đều có ký hiệu riêng để dễ dàng nhận biết.

Diode thường (Chỉnh lưu): Mũi tên tam giác hướng về thanh gạch (mũi tên chính là anode, thanh gạch là cathode).
Diode Zener: Tương tự diode thường nhưng có thêm nét gãy ở thanh gạch đại diện cho cathode.
LED (Điốt phát quang): Thêm hai mũi tên nhỏ bên ngoài biểu thị ánh sáng phát ra.
Photodiode: Thêm hai mũi tên hướng vào diode, biểu thị nhận ánh sáng.
… (Tương ứng với mỗi loại diode khác nhau, ký hiệu sẽ có biến thể riêng).

Xem thêm: Ký hiệu của tụ điện

Nguyên lý hoạt động của Điốt

Cấu tạo P-N và sự hình thành điện áp tiếp xúc

Khối bán dẫn P chứa nhiều lỗ trống (mang điện tích dương), trong khi khối bán dẫn N lại có vô số điện tử tự do (mang điện tích âm). Khi hai khối này ghép lại, lỗ trống từ khối P có xu hướng khuếch tán sang khối N, đồng thời khối P cũng nhận thêm điện tử từ khối N.

Hệ quả là khối P trở nên tích điện âm (do thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử), còn khối N bị tích điện dương (do thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống).

Tại vùng tiếp giáp, các điện tử và lỗ trống có thể kết hợp nhau thành nguyên tử trung hòa, đôi khi giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng hoặc bức xạ điện từ.

Sự thay đổi phân bố điện tích này tạo nên một điện áp tiếp xúc (UTX). Điện áp tiếp xúc khiến điện trường có hướng từ khối N sang khối P, cản trở quá trình khuếch tán. Sau một thời gian, vùng tiếp giáp P-N đạt trạng thái cân bằng, hình thành điện áp tiếp xúc khoảng 0.7V với điốt Silicon (Si) và 0.3V với điốt Germanium (Ge).

Vùng nghèo (Depletion Region) – Cốt lõi của Diode

Khu vực xung quanh tiếp giáp P-N chứng kiến việc tái hợp diễn ra thường xuyên, hình thành nguyên tử trung hòa.

Đây là vùng rất hiếm hạt mang điện tự do nên gọi là vùng nghèo (depletion region). Vùng nghèo chỉ trở nên dẫn điện tốt nếu điện áp bên ngoài đủ mạnh để cân bằng hoặc vượt qua điện áp tiếp xúc.

Phân cực thuận và phân cực ngược

Phân cực thuận: Khi điện áp dương đặt vào anode (A) và âm đặt vào cathode (K), quá trình khuếch tán hạt mang điện không còn bị điện áp tiếp xúc cản trở. Diode bắt đầu dẫn điện khi UAK > UTX (khoảng 0.6–0.7V cho diode Si).

Phân cực ngược: Khi điện áp ngược chiều với điện áp tiếp xúc, vùng nghèo trở nên “nghèo” hơn, cản trở đáng kể dòng điện.

Dòng điện thuận và điện trở của Diode

Khi UAK > 0 đủ lớn, diode bước vào trạng thái phân cực thuận. Dòng điện lúc này có chiều từ anode sang cathode (gọi là dòng điện thuận, ký hiệu IF hoặc ID).

Một phần điện áp UAK (thường khoảng 0.6V) dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc.

Phần điện áp còn lại (vài 0.1V đến 0.5V tuỳ dòng điện yêu cầu) tạo nên dòng điện thuận qua diode.
Khi đó, điện trở của diode trở nên rất thấp (chỉ vài chục ohm hoặc ít hơn), giúp dòng điện thuận có thể đạt từ vài chục mA đến vài ampere tuỳ thiết kế mạch. Ngưỡng 0.6V thường được xem là mức điện thế tối thiểu để diode (Si) bắt đầu dẫn, và khi UAK = 0.7V, dòng qua diode đủ cấp cho nhiều ứng dụng cơ bản trong mạch điện.

Các nguyên tắc cần tuân thủ khi sử dụng Diode

Nếu một Diode còn tốt, nó gần như không dẫn điện theo chiều ngược (từ cathode sang anode). Thực tế, vẫn có thể xuất hiện dòng ngược khi diode bị phân cực ngược với điện thế cao, nhưng dòng này thường rất nhỏ (cỡ microampere, μA) và không ảnh hưởng đáng kể trong các ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, bất kỳ điốt chỉnh lưu nào cũng sẽ bị hỏng nếu điện áp ngược vượt quá ngưỡng chịu đựng (VBR), vì lúc này dòng điện ngược có thể tăng đột ngột và làm cháy linh kiện.

Để đảm bảo điốt hoạt động ổn định, hãy tuân thủ các điều kiện sau:

Giới hạn dòng điện thuận (IFmax): Dòng điện thuận qua điốt không được vượt quá giá trị tối đa (IFmax) mà nhà sản xuất quy định.
Điện áp phân cực ngược (VBR): Giá trị điện áp ngược (UKA) không được vượt qua ngưỡng đánh thủng (VBR). Nếu UKA > VBR, điốt sẽ bị đánh thủng và hỏng.

Ví dụ: Điốt 1N4007 có thông số:

VBR = 1000V
IFmax = 1A
VF = 1.1V (khi IF = 1A)

Các chỉ số này cho biết:

Dòng điện thuận qua điốt không quá 1A.
Điện áp ngược tối đa không vượt quá 1000V.
Điện áp rơi (VF) có thể lên tới 1.1V nếu dòng điện thuận bằng 1A.

Lưu ý, với diode chỉnh lưu, khi UAK = 0.6V, điốt bắt đầu dẫn điện; đến khoảng 0.7V, dòng qua điốt có thể đạt vài chục mA. Điều này giúp bạn xác định khoảng điện áp cần thiết để điốt làm việc hiệu quả trong các thiết kế mạch điện.

Xem thêm: Nguyên lý hoạt động của cuộn cảm

Các ứng dụng phổ biến nhất của Diode

Trên thực tế, diode được chế tạo với nhiều chủng loại, phù hợp cho đa dạng môi trường và nhu cầu sử dụng khác nhau.

1. Chỉnh lưu dòng điện

Chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC).
Thường dùng trong các bộ nguồn, mạch sạc, hoặc các thiết bị cần nguồn DC ổn định.

2. Giảm áp

Khi dòng điện đi qua diode, sẽ xuất hiện một điện áp sụt trên linh kiện.
Trong nhiều trường hợp, kỹ sư điện tận dụng đặc tính này để giảm mức điện áp đến giá trị mong muốn. Ví dụ, nếu cần 3V cho một mạch đài radio nhưng chỉ có nguồn 5V, có thể nối tiếp 3 diode để hạ áp xuống gần 3V.

3. Bảo vệ chống cắm nhầm cực

Một số thiết bị điện tử một chiều (DC) không cho phép đấu ngược cực nguồn vì có thể dẫn đến hư hỏng linh kiện.
Để bảo vệ, người ta thêm một diode ở đầu vào. Diode này chỉ cho phép dòng điện đi theo một chiều duy nhất, giúp thiết bị an toàn ngay cả khi nguồn cung cấp bị cắm nhầm cực tính.

Xem thêm: Ứng dụng thực tiễn của điện trở

Trên đây là tổng quan về diode – từ khái niệm, nguyên lý hoạt động, các loại phổ biến đến những ứng dụng thực tế. Nhờ đặc tính cho dòng điện đi qua một chiều duy nhất, diode đã trở thành linh kiện không thể thiếu trong hầu hết các mạch điện tử, đặc biệt là ở vai trò chỉnh lưu, bảo vệ và giảm áp. Nắm vững cách hoạt động cũng như giới hạn kỹ thuật của từng loại điốt sẽ giúp bạn thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống điện một cách hiệu quả và an toàn.