Các loại diode thông dụng

Diode cơ bản là một nối P-N. Thế nhưng, tùy theo mật độ chất tạp pha vào chất bán dẫn thuần ban đầu, tùy theo sự phân cực của diode và một số yếu tố khác nữa mà ta có nhiều loại diode khác nhau và tầm ứng dụng của chúng cũng khác nhau.

Diode chỉnh lưu:

Là diode thông dụng nhất, dùng để đổi điện xoay chiều – thường là điện thế 50Hz đến 60Hz sang điện thế một chiều. Diode này tùy loại có thể chịu đựng được dòng từ vài trăm mA đến loại công suất cao có thể chịu được đến vài trăm ampere. Diode chỉnh lưu chủ yếu là loại Si. Hai đặc tính kỹ thuật cơ bản của Diode chỉnh lưu là dòng thuận tối đa và điện áp ngược tối đa (Điện áp sụp đổ). Hai đặc tính này do nhà sản xuất cho biết.

Kiểu mẫu diode với điện trở động:

Khi điện thế phân cực thuận vượt quá điện thế ngưỡng VK, dòng điện qua diode tăng nhanh trong lúc điện thế qua hai đầu diode VD cũng tăng (tuy chậm) chứ không phải là hằng số như kiểu mẫu trên. Để chính xác hơn, lúc này người ta phải chú ý đến độ giảm thế qua hai đầu điện trở động r0.

Thí dụ:

Từ đặc tuyến V-I của diode 1N917(Si), xác định điện trở động r0 và tìm điểm điều hành Q(ID và VD) khi nó được dùng trong mạch hình bên.

Bước 2: với I’D =4,77mA, ta xác định được điểm Q’ (V’D=0,9V)

Bước 3: vẽ tiếp tuyến tại Q’ với đặc tuyến để tìm điện thế offset V0.

V0=0,74V

Ví dụ: Xem mạch dùng diode 1N917 với tín hiệu nhỏ VS(t)=50 Sinωt (mV).

Tìm điện thế VD(t) ngang qua diode, biết rằng điện trở rB của hai vùng bán dẫn P-N là 10.

Giải:

Theo ví dụ trước, với kiểu mẫu điện thế ngưỡng ta có VD=0,7V và ID=4,77mA.

Từ đó ta tìm được điện trở nối rd:

r d = 26 mV I D = 26 mV 4, 77 mA = 5, 45 Ω

rac=10 + 0,45=10,45

Mạch tương đương xoay chiều:

Điện thế đỉnh Vdm ngang qua diode là

V dm = r ac R + r ac V m = 15 , 45 15 , 45 + 3000 . 50

Vdm=0,256 Sinωt (mV).

Vậy điện thế tổng cộng ngang qua diode là:

VD(t) = 700mV + 0,256 Sin ωt (mV).

Kiểu mẫu tín hiệu rộng và hiệu ứng tần số.

Khi diode được dùng với nguồn tín hiệu xoay chiều tín hiệu biên độ lớn, kiểu mẫu tín hiệu nhỏ không thể áp dụng được. vì vậy, người ta dùng kiểu mẫu một chiều tuyến tính.

Kết quả là ở nữa chu kỳ dương của tín hiệu, diode dẫn và xem như một ngắt điện đóng mạch. ở nửa chu kỳ âm kế tiếp, diode bị phân cực nghịch và có vai trò như một ngắt điện hở mạch. Tác dụng này của diode được gọi là chỉnh lưu nửa sóng (mạch chỉnh lưu sẽ được khảo sát kỹ ở giáo trình mạch điện tử).

Đáp ứng trên chỉ đúng khi tần số của nguồn xoay chiều VS(t) thấp-thí dụ như điện 50/60Hz, tức chu kỳ T=20ms/16,7ms-khi tần số của nguồn tín hiệu lên cao (chu kỳ ở hàng nano giây) thì ta phải quan tâm đến thời gian chuyển tiếp từ bán kỳ dương sang bán kỳ âm của tín hiệu.

Khi tần số của tín hiệu cao, điện thế ngõ ra ngoài bán kỳ dương (khi diode được phân cực thuận), ở bán kỳ âm của tín hiệu cũng qua được một phần và có dạng như hình vẽ. Chú ý là tần số của nguồn tín hiệu càng cao thì thành phần bán kỳ âm xuất hiện ở ngõ ra càng lớn.

Hiệu ứng này do điện dung khuếch tán CD của nối P-N khá lớn khi được phân cực thuận (CD có trị từ 2000pF đến 15000pF). Tác dụng của điện dung này làm cho diode không thể thay đổi tức thời từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngưng dẫn mà phải mất đi một thời gian (thường được gọi là thời gian hồi phục, kiểu mẫu diode phải kể đến tác dụng của điện dung của nối.

Diode tách sóng.

Cũng làm nhiệm vụ như diode chỉnh lưu nhưng thường với tín hiệu có biên độ nhỏ và tần số cao. Diode tách sóng thường được chế tạo có dòng thuận nhỏ và có thể là Ge hay Si nhưng diode Ge được dùng nhiều hơn vì điện thế ngưỡng VK nhỏ.

Diode schottky:

Ta đã thấy ảnh hưởng của thời gian hồi phục (tức thời gian chuyển mạch) lên dạng sóng ngõ ra của mạch chỉnh lưu. Để rút ngắn thời gian hồi phục. Các hạt tải điện phải di chuyển nhanh, vùng hiếm phải hẹp. Ngoài ra, còn phải tạo điều kiện cho sự tái hợp giữa lỗ trống và điện tử dễ dàng và nhanh chóng hơn. Đó là nguyên tắc của diode schottky.

Ta thấy trong diode schottky, thường người ta dùng nhôm để thay thế chất bán dẫn loại P và chất bán dẫn loại N là Si. Do nhôm là một kim loại nên rào điện thế trong diode schottky giảm nhỏ nên điện thế ngưỡng của diode schottky khoảng 0,2V đến 0,3V. Để ý là diode schottky có điện thế bảo hoà ngược lớn hơn diode Si và điện thế sụp đổ cũng nhỏ hơn diode Si.

Diode ổn áp (diode Zener):

Như đã khảo sát ở phần trước, khi điện thế phân cực nghịch của diode lớn, những hạt tải điện sinh ra dưới tác dụng nhiệt bị điện trường mạnh trong vùng hiếm tăng vận tốc và phá vỡ các nối hoá trị trong chất bán dẫn. Cơ chế này cứ chồng chất vầ sau cùng ta có dòng điện ngược rất lớn. Ta nói diode đang ở trong vùng bị phá huỷ theo hiện tượng tuyết đổ và gây hư hỏng nối P-N.

Ta cũng có một loại phá huỷ khác do sự phá huỷ trực tiếp các nối hoá trị dưới tác dụng của điện trường. Sự phá huỷ này có tính hoàn nghịch, nghĩa là khi điện trường hết tác dụng thì các nối hoá trị được lập lại, ta gọi hiện tượng này là hiệu ứng Zener.

* Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Khi nhiệt độ thay đổi, các hạt tải điện sinh ra cũng thay đổi theo:

Với các diode Zener có điện thế Zener VZ < 5V thì khi nhiệt độ tăng, điện thế Zener giảm.
Với các diode có điện thế Zener VZ>5V (còn được gọi là diode tuyết đổ-diode avalanche) lại có hệ số nhiệt dương (VZ tăng khi nhiệt độ tăng).

Kiểu mẫu lý tưởng của diode Zener:

Do tính chất trên, diode zener thường được dùng để chế tạo điện thế chuẩn.

Thí dụ: mạch tao điện thế chuẩn 4,3V dùng diode zener 1N749 như sau:

Khi chưa mắc tải vào, thí dụ nguồn VS=15V, thì dòng qua zener là:

I = V S - V Z R = 15 - 4,3 470 = 22, 8 mA

* Kiểu mẫu của diode zener đối với điện trở động:

Thực tế, trong vùng zener, khi dòng điện qua diode tăng, điện thế qua zener cũng tăng chút ít chứ không phải cố định như kiểu mẫu lý tưởng.

Người ta định nghĩa điện trở động của diode là:

r = Z Z = V ZT - V ZO I ZT

Trong đó: VZO là điện thế nghịch bắt đầu dòng điện tăng.

VZT là điện thế ngang qua hai đầu diode ở dòng điện sử dụng IZT

Diode biến dung: (Varicap – Varactor diode)

Phần trên ta đã thấy, sự phân bố điện tích dương và âm trong vùng hiếm thay đổi khi điện thế phân cực nghịch thay đổi, tạo ra giữa hai đầu diode một điện dung:

C T = ∣ ΔQ ΔV ∣ = ε A W d

Điện dung chuyển tiếp CT tỉ lệ nghịch với độ rộng của vùng hiếm, tức tỉ lệ nghịch với điện thế phân cực.

Đặc tính trên được ứng dụng để chế tạo diode biến dung mà trị số điện dung sẽ thay đổi theo điện thế phân cực nghịch nên còn được gọi là VVC diode (voltage-variable capacitance diode). Điện dung này có thể thay đổi từ 5pF đến 100pF khi điện thế phân cực nghịch thay đổi từ 3 đến 25V.

Diode hầm (Tunnel diode)

Được chế tạo lần đầu tiên vào năm 1958 bởi Leo-Esaki nên còn được gọi là diode Esaki. Đây là một loại diode đặc biệt được dùng khác với nhiều loại diode khác. Diode hầm có nồng độ pha chất ngoại lai lớn hơn diode thường rất nhiều (cả vùng P lẫn vùng N)

Đặc tuyến V-I có dạng như sau:

Khi phân cực nghịch, dòng điện tăng theo điện thế. Khi phân cực thuận, ở điện thế thấp, dòng điện tăng theo điện thế nhưng khi lên đến đỉnh A (VP IP), dòng điện lại tự động giảm trong khi điện thế tăng. Sự biến thiên nghịch này đến thung lũng B (VV IV). Sau đó, dòng điện tăng theo điện thế như diode thường có cùng chất bán dẫn cấu tạo. Đặc tính cụ thể của diode hầm tùy thuộc vào chất bán dẫn cấu tạo Ge, Si, GaAs (galium Asenic), GaSb (galium Atimonic)… Vùng AB là vùng điện trở âm (thay đổi từ khoảng 50 đến 500 mV). Diode được dùng trong vùng điện trở âm này. Vì tạp chất cao nên vùng hiếm của diode hầm quá hẹp (thường khoảng 1/100 lần độ rộng vùng hiếm của diode thường), nên các hạt tải điện có thể xuyên qua mối nối theo hiện tượng chui hầm nên được gọi là diode hầm.

Tỉ số Ip/Iv rất quan trọng trong ứng dụng. Tỉ số này khoảng 10:1 đối với Ge và 20:1 đối với GaAs.

Mạch tương đương của diode hầm trong vùng điện trở âm như sau:

Ls: Biểu thị điện cảm của diode, có trị số từ 1nH đến 12nH.

RD: Điện trở chung của vùng P và N.

CD: Điện dung khuếch tán của vùng hiếm.

Thí dụ, ở diode hầm Ge 1N2939: Ls=6nH, CD=5pF,Rd=-152, RD=1,5

Diode có vùng hiếm hẹp nên thời gian hồi phục nhỏ, dùng tốt ở tần số cao. Nhược điểm của diode hầm là vùng điện trở âm phi tuyến, vùng điện trở âm lại ở điện thế thấp nên khó dùng với điện thế cao, nồng độ chất pha cao nên muốn giảm nhỏ phải chế tạo mỏng manh. Do đó, diode hầm dần dần bị diode schottky thay thế.

Ứng dụng thông dụng của diode hầm là làm mạch dao động ở tần số cao.