Diode

Diode là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của diode

Dưới đây chúng ta hãy cùng theo dõi hướng dẫn Diode là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của diode cơ bản nhất hãy cùng tham khảo bên dưới đây với hocdientu  nhé !

Diode là gì ?

Diode được định nghĩa là một linh kiện điện tử chỉ dẫn dòng điện theo một hướng (miễn là nó hoạt động trong một mức điện áp xác định). Một diode lý tưởng sẽ có điện trở bằng không theo một hướng và điện trở vô hạn theo hướng ngược lại.

Mặc dù trong thế giới thực, điốt không thể đạt được điện trở bằng 0 hoặc vô hạn. Thay vào đó, một diode sẽ có điện trở không đáng kể theo một hướng (để cho phép dòng điện chạy qua), và điện trở rất cao theo hướng ngược lại (để ngăn dòng điện chạy qua). Một diode có hiệu quả giống như một van cho một mạch điện .

Lịch sử ra đời của Diode

Điốt là thiết bị điện tử bán dẫn đầu tiên. Nhà vật lý người Đức Ferdinand Braun đã phát hiện ra khả năng chỉnh lưu của các tinh thể vào năm 1874. Điốt bán dẫn đầu tiên, được gọi là điốt râu mèo, được làm bằng tinh thể của các khoáng chất như galena.

Ai là người phát minh ra diode bán dẫn?

Jagadis Chandra Bose Năm 1901, Jagadis Chandra Bose, giáo sư vật lý ở Calcutta, Ấn Độ, đã nộp bằng sáng chế của Hoa Kỳ cho một diode bán dẫn tiếp xúc điểm tinh thể galena dùng để phát hiện tín hiệu vô tuyến.

Điốt bán dẫn đầu tiên được phát minh khi nào?

Fleming được cấp bằng sáng chế cho diode nhiệt điện thực sự đầu tiên, van Fleming, ở Anh vào ngày 16 tháng 11 năm 1904 (tiếp theo là Bằng sáng chế 803.684 của Hoa Kỳ vào tháng 11 năm 1905).

Điốt có điện trở không?

Nói một cách lý tưởng, một diode được kỳ vọng sẽ cung cấp điện trở bằng không khi phân cực thuận và điện trở vô hạn khi phân cực ngược. Tuy nhiên, không có thiết bị nào có thể trở nên lý tưởng. Vì vậy, nói một cách thực tế, mọi diode được coi là cung cấp một điện trở nhỏ khi phân cực thuận và một điện trở đáng kể khi phân cực ngược.

Diode được tạo ra như thế nào?

Một diode được hình thành bằng cách ghép hai chất bán dẫn loại P và loại N. có pha tạp chất tương đương. Tại điểm tiếp xúc của vùng loại P và loại N, các lỗ trống trong vùng loại P hút các electron trong vật liệu loại N. Do đó, điện tử khuếch tán và chiếm các lỗ trống trong vật liệu Loại P.

Chất bán dẫn là gì ?

Chất bán dẫn được sử dụng nhiều trong các mạch điện tử. Như tên gọi của nó, chất bán dẫn là vật liệu dẫn dòng điện, nhưng chỉ một phần. Độ dẫn điện của chất bán dẫn nằm giữa độ dẫn điện của chất cách điện hầu như không có độ dẫn điện và chất dẫn điện gần như có độ dẫn điện hoàn toàn. Hầu hết các chất bán dẫn là tinh thể được làm bằng vật liệu nhất định, phổ biến nhất là silicon.

  • Để hiểu cách hoạt động của chất bán dẫn, trước tiên bạn phải hiểu một chút về cách tổ chức các electron trong nguyên tử. Các electron trong nguyên tử được tổ chức thành từng lớp. Các lớp này được gọi là lớp vỏ. Lớp vỏ ngoài cùng được gọi là lớp vỏ hóa trị .
  • Các electron trong lớp vỏ này là những hạt tạo liên kết với các nguyên tử lân cận. Liên kết như vậy được gọi là liên kết cộng hóa trị . Hầu hết các chất dẫn điện chỉ có một điện tử ở lớp vỏ hóa trị. Mặt khác, chất bán dẫn thường có 4 electron trong lớp vỏ hóa trị của chúng.

Chất bán dẫn được làm bằng tinh thể

Nếu tất cả các nguyên tử lân cận cùng loại, thì tất cả các điện tử hóa trị đều có thể liên kết với các điện tử hóa trị từ các nguyên tử khác. Khi điều đó xảy ra, các nguyên tử tự sắp xếp thành các cấu trúc gọi là tinh thể . Chất bán dẫn được tạo ra từ các tinh thể như vậy, thường là các tinh thể silicon.

Chất bán dẫn là gì ?
Chất bán dẫn là gì ?

Ở đây, mỗi vòng tròn đại diện cho một nguyên tử silicon, và các đường giữa các nguyên tử đại diện cho các điện tử dùng chung. Mỗi trong số bốn điện tử hóa trị trong mỗi nguyên tử silicon được chia sẻ với một nguyên tử silicon lân cận. Do đó, mỗi nguyên tử silicon được liên kết với bốn nguyên tử silicon khác.

Tinh thể silicon tinh khiết không phải là tất cả những gì hữu ích về mặt điện tử. Nhưng nếu bạn đưa một lượng nhỏ các nguyên tố khác vào trong một tinh thể, thì tinh thể đó bắt đầu hoạt động theo một cách thú vị khác.

Quá trình cố tình đưa các nguyên tố khác vào tinh thể được gọi là pha tạp . Bằng cách kiểm soát cẩn thận quá trình pha tạp và chất pha tạp được sử dụng, các tinh thể silicon có thể biến đổi thành một trong hai loại chất dẫn điện riêng biệt:

Chất bán dẫn loại N

Được tạo ra khi pha  một nguyên tố có năm electron trong lớp hóa trị của nó đó là Phốt Pho P.

Chất bán dẫn loại N
Chất bán dẫn loại N

Các nguyên tử photpho tham gia ngay trong cấu trúc tinh thể của silic, mỗi nguyên tử liên kết với 4 nguyên tử silic liền kề giống như nguyên tử silic. Bởi vì nguyên tử photpho có năm điện tử trong lớp vỏ hóa trị của nó, nhưng chỉ bốn trong số chúng được liên kết với các nguyên tử liền kề, nên điện tử hóa trị thứ năm bị treo ra ngoài mà không có gì để liên kết.

Các điện tử hóa trị phụ trong nguyên tử phốt pho bắt đầu hoạt động giống như các điện tử hóa trị đơn trong chất dẫn điện thông thường như đồng. Nó được tự do di chuyển. Vì loại bán dẫn này có thêm các điện tử nên nó được gọi là bán dẫn loại N.

Chất bán dẫn loại P

Chất bán dẫn loại P đưuọc pha tạp bởi nguyên tố Các bon chỉ có ba điện tử ở lớp vỏ hóa trị. Khi một lượng nhỏ được kết hợp vào tinh thể, nguyên tử có thể liên kết với bốn nguyên tử silicon, nhưng vì nó chỉ có ba điện tử để cung cấp, một lỗ trống được tạo ra. Lỗ trống hoạt động giống như một điện tích dương, vì vậy chất bán dẫn được pha tạp theo cách này được gọi là chất bán dẫn loại P.

Chất bán dẫn loại P
Chất bán dẫn loại P

Giống như một điện tích dương, các lỗ trống hút các electron. Nhưng khi một điện tử di chuyển vào một lỗ trống, thì điện tử đó sẽ rời một lỗ trống mới tại vị trí cũ của nó. Do đó, trong chất bán dẫn loại P, các lỗ trống liên tục di chuyển xung quanh tinh thể khi các điện tử liên tục cố gắng lấp đầy chúng.

Khi đặt điện áp vào chất bán dẫn loại N hoặc loại P, dòng điện sẽ chạy, vì lý do nó chạy trong vật dẫn thông thường: Mặt âm của điện áp đẩy các electron, và mặt dương kéo chúng. Kết quả là sự chuyển động ngẫu nhiên của electron và lỗ trống luôn có trong chất bán dẫn trở nên có tổ chức theo một hướng, tạo ra dòng điện có thể đo được.

Cấu tạo của Diode

Điốt bán dẫn là một thiết bị hai cực, trong đó một nửa của nó được pha tạp là vùng p và nửa còn lại được pha tạp là vùng n. Giữa vùng p và n là lớp tiếp giáp pn và lớp nghèo . Vùng p được gọi là cực dương trong khi vùng n được gọi là cực âm và mỗi vùng trong số chúng được kết nối với một đầu dẫn điện.

Cấu tạo của Diode
Cấu tạo của Diode

Nguyên lý hoạt động của Diode

Phân cực thuận Diode

Phân cực về cơ bản có nghĩa là áp dụng điện áp một chiều trên một linh kiện điện tử và như đã đề cập trước đó, một diode có thể được phân cực thuận hoặc phân cực ngược. Trong điều kiện phân cực thuận, dòng điện được phép đi qua tiếp giáp pn. Nhưng một yêu cầu đối với diode phân cực thuận là mặt âm của điện áp phân cực bên ngoài phải được nối với cực âm hoặc vùng n của điốt và cực dương của điện áp phân cực bên ngoài với cực dương hoặc vùng p. Yêu cầu thứ hai là, điện áp phân cực bên ngoài phải lớn hơn điện thế rào cản (ở đây là thế năng của lớp tiếp giáp). Khi hai yêu cầu này được đáp ứng, diode được phân cực thuận.

Bây giờ, khi một diode được phân cực thuận, mặt âm của điện áp phân cực bên ngoài đẩy các hạt tải điện đa số trong vùng n, là các điện tử tự do, về phía tiếp giáp pn. Nó cũng cung cấp một dòng electron liên tục vào vùng n thông qua kết nối bên ngoài hoặc dây dẫn. Chuyển động của các electron tự do ở đây được gọi là dòng electron.

Với sự trợ giúp của điện áp phân cực bên ngoài, các điện tử tự do bây giờ có thể vượt qua hàng rào thế năng của Vùng nghèo và di chuyển qua vùng p. Điện áp phân cực bên ngoài cung cấp đủ năng lượng nhưng vì cần quá nhiều năng lượng để vượt qua thế năng rào cản, một khi các điện tử tự do đi qua lớp tiếp giáp, chúng ngay lập tức kết hợp với các lỗ trống trong vùng hóa trị và trở thành các điện tử hóa trị. Sau đó, các electron hóa trị này bắt đầu chuyển động về phía bên trái của vùng p vì chúng bị hút về phía dương của điện áp phân cực bên ngoài. Các lỗ trống trong vùng p trở thành đường dẫn cho các electron hóa trị. Khi các điện tử hóa trị di chuyển sang trái, các lỗ trống, là hạt tải điện chủ yếu trong vùng p, cũng di chuyển sang phải về phía tiếp giáp.

Khi các điện tử hóa trị rời khỏi vùng p và chạy qua liên kết bên ngoài hoặc vật dẫn, chúng để lại các lỗ trống trong vùng p. Vì vậy, liên tục có sẵn các lỗ di chuyển về phía đường giao nhau pn. Các điện tử hóa trị cũng ngay lập tức biến thành các điện tử tự do bởi vì, như những gì chúng ta đã thảo luận trong hướng dẫn trước, hầu như không tốn năng lượng để một điện tử trong vật dẫn nhảy từ vùng hóa trị vào vùng dẫn, vì vùng hóa trị và vùng dẫn trong một lớp phủ dây dẫn.

Ảnh hưởng của phân cực thuận đối với vùng nghèo

Vậy điều gì sẽ xảy ra với vùng nghèo khi chúng ta phân cực thuận một diode? Khi nhiều electron và lỗ trống chảy vào Vùng nghèo, số lượng điện tích âm và dương bị giảm đi. Vì Vùng nghèo được hình thành do có hai lớp điện tích âm và dương nên số lượng điện tích âm và dương giảm dần làm cho Vùng nghèo bị thu hẹp.

Ảnh hưởng của Rào cản thế năng trong quá trình Phân cực thuận

Khi một diode được phân cực thuận, điện áp phân cực bên ngoài cung cấp năng lượng cho các điện tử tự do để chúng có thể vượt qua Điện áp của thế năng rào cản. Bây giờ, các electron này nhường một lượng năng lượng bằng thế năng rào cản khi chúng sẽ vượt qua Vùng nghèo. Kết quả là, sẽ có một sự sụt giảm điện áp trên đường giao nhau pn, thường là khoảng 0,7V và một sự sụt giảm điện áp bổ sung do nội trở. Điện trở bên trong được gọi là điện trở động và thường bị bỏ qua vì nó rất nhỏ. Bạn sẽ nhận thấy sự sụt giảm điện áp này do điện thế rào cản khi bạn bắt đầu làm việc với điốt.

Biểu đồ năng lượng ở điều kiện Phân cực thuận

Theo quan điểm của giản đồ năng lượng, diode phân cực thuận làm tăng mật độ electron trong vùng dẫn của vùng n của nó. Chúng ta sẽ thấy rằng mức năng lượng của vùng hóa trị và vùng dẫn trong vùng n được nâng lên cho phép các điện tử tự do vượt qua đường tiếp giáp. Chìa khóa để hiểu điều này là các electron muốn di chuyển xuống và các lỗ trống muốn di chuyển lên trên. Vì vậy, bằng cách đẩy vùng n lên nhiều hơn, các electron có thể “rơi” vào vùng hóa trị hoặc nếu chúng có đủ năng lượng, có thể di chuyển trực tiếp vào vùng dẫn của vật liệu loại p. Ngoài ra, lưu ý rằng Vùng nghèo sẽ hẹp hơn ở trạng thái cân bằng phân cực thuận.

Đỗ Thủy Học Điện Tử

Tôi một người đam mê cung cấp kiến thức cuộc sống và kiến thức giáo dục văn học , vật lý , điện tử đến cho mọi người hãy cùng tôi tiếp nhận kiến thức mới nhé !

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Back to top button