Điot bán dẫn là gì? Cấu tạo, phân loại, nguyên lí hoạt động?

1. Điốt bán dẫn là gì?

Điốt bán dẫn là một linh kiện điện tử bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều duy nhất mà không chạy ngược lại. Điốt bán dẫn thường đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N và được nối với 2 chân ra là anode và cathode.

Điốt bán dẫn có tác dụng chính là chỉnh lưu, tức là chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Ngoài ra, điốt bán dẫn còn có thể ứng dụng làm đèn LED, ổn áp, công tắc điện tử và phát quang.

Điốt bán dẫn hoạt động dựa trên nguyên lý của điện áp tiếp xúc giữa hai khối bán dẫn P và N. Khi hai khối này ghép lại, sẽ có sự khuếch tán của các lỗ trống và các điện tử giữa hai khối, tạo ra một vùng nghèo (depletion region) không có các điện tích tự do. Điện áp tiếp xúc là điện áp cần thiết để khắc phục sự khuếch tán này và cho phép dòng điện chạy qua vùng nghèo.

2. Cấu tạo Điốt bán dẫn:

Điốt bán dẫn gồm những phần sau:

– Anode: là cực dương của điốt, nối với lớp bán dẫn loại P.

– Cathode: là cực âm của điốt, nối với lớp bán dẫn loại N.

– Lớp bán dẫn loại P: là lớp bán dẫn chứa nhiều lỗ trống mang điện tích dương, được tạo ra bằng cách trộn silic với các nguyên tố nhóm III như boron.

– Lớp bán dẫn loại N: là lớp bán dẫn chứa nhiều electron mang điện tích âm, được tạo ra bằng cách trộn silic với các nguyên tố nhóm V như phosphor.

– Vùng nghèo (depletion region): là vùng tiếp giáp giữa hai lớp bán dẫn P và N, có độ rộng phụ thuộc vào điện áp áp vào hai đầu của điốt. Vùng nghèo có khả năng ngăn chặn hoặc cho phép dòng điện chạy qua tùy thuộc vào chiều của điện áp.

3. Nguyên lý hoạt động của Điốt bán dẫn:

Điốt bán dẫn là một linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, có khả năng cho phép dòng điện đi qua theo một chiều cố định mà không theo chiều ngược lại. Điốt bán dẫn được tạo nên từ các chất bán dẫn, trong đó có 2 tấm bán dẫn P và bán dẫn N được ghép lại với nhau và chúng được nối với 2 chân ra là anode và cathode, Trong đó anode là cực dương, cathode là cực âm. Khi áp một điện áp bên ngoài vào 2 chân của điốt, nếu điện áp này cùng chiều với điện áp tiếp xúc của 2 tấm bán dẫn, thì vùng tiếp giáp sẽ thu hẹp lại và dòng điện sẽ chạy từ anode sang cathode. Ngược lại, nếu điện áp bên ngoài ngược chiều với điện áp tiếp xúc, thì vùng tiếp giáp sẽ mở rộng ra và không có dòng điện nào chạy qua. Điốt bán dẫn có nhiều loại khác nhau, như điốt chỉnh lưu, điốt LED, điốt ổn áp… Mỗi loại có những đặc tính và ứng dụng riêng biệt. Điốt bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, như mạch chỉnh lưu, mạch công tắc, đèn LED chiếu sáng…

4. Phân loại Điốt bán dẫn:

Một số loại điốt bán dẫn phổ biến hiện nay là:

– Điốt chỉnh lưu: Điốt này được sử dụng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, thường được làm từ silic hoặc germani.

– Điốt Zener: Điốt này được sử dụng để ổn áp, tức là duy trì một điện áp ổn định trên hai đầu của nó khi có sự thay đổi của điện áp nguồn hoặc tải. Điốt Zener có khả năng dẫn điện ngược khi điện áp vượt quá một ngưỡng nhất định gọi là điện áp Zener.

– Điốt biến dung: Điốt này được sử dụng để thay đổi dung lượng của một tụ điện khi thay đổi điện áp qua nó. Điốt biến dung thường được làm từ silic hoặc gallium arsenide.

– Điốt Gunn: Điốt này được sử dụng để phát ra sóng vô tuyến ở tần số cao, thường từ 1 GHz đến 100 GHz. Điốt Gunn được làm từ các chất bán dẫn có khe năng lượng rộng như gallium arsenide hoặc indium phosphide.

– Điốt TVS: Điốt này được sử dụng để bảo vệ các mạch điện khỏi các xung điện áp cao và ngắn hạn, có thể gây hỏng các linh kiện nhạy cảm. Điốt TVS có khả năng chịu được dòng điện lớn trong thời gian ngắn mà không bị phá hủy.

– Điốt IMPATT: Điốt này cũng được sử dụng để phát ra sóng vô tuyến ở tần số cao, nhưng khác với điốt Gunn là nó hoạt động theo nguyên lý va chạm ion hóa quá trình xảy ra trong vùng tiếp xúc P-N của diode. Điốt IMPATT cũng được làm từ các chất bán dẫn có khe năng lượng rộng.

– Điốt laser: Điốt này được sử dụng để phát ra ánh sáng laser, tức là ánh sáng có bước sóng nhất định, cường độ cao và hướng truyền rất thuận lợi. Điốt laser được làm từ các chất bán dẫn có khả năng phát quang khi có dòng điện chạy qua, như gallium arsenide, gallium nitride hay indium gallium arsenide.

– Điốt phát quang (LED): Điốt này cũng được sử dụng để phát ra ánh sáng, nhưng khác với điốt laser là ánh sáng có bước sóng khác nhau, cường độ thấp hơn và hướng truyền rộng hơn. Điốt LED được làm từ các chất bán dẫn có khả năng phát quang khi có dòng điện chạy qua, nhưng có thành phần hóa học khác nhau để tạo ra các màu sắc khác nhau, như gallium arsenide phosphide, gallium phosphide hay indium gallium nitride.

Vậy, có thể nói rằng điốt bán dẫn có rất nhiều loại, tùy thuộc vào chất bán dẫn, cấu trúc và ứng dụng của chúng. Mỗi loại điốt bán dẫn đều có những đặc tính và tính năng riêng biệt, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau trong lĩnh vực điện tử.

5. Ứng dụng thực tế của Điot bán dẫn:

Ứng dụng thực tế Điot bán dẫn là một lĩnh vực nghiên cứu mới mẻ và hấp dẫn, có thể mang lại nhiều lợi ích cho các ngành công nghiệp, y tế, giáo dục và giải trí. Thực tế Điot bán dẫn là kết hợp giữa thực tế ảo (VR) và thực tế tăng cường (AR), sử dụng các thiết bị bán dẫn như LED, laser, pin năng lượng mặt trời và cảm biến để tạo ra những trải nghiệm sống động và tương tác. Một số ứng dụng tiềm năng của thực tế Điot bán dẫn bao gồm:

– Tạo ra những môi trường giả lập cho việc huấn luyện, giáo dục và nghiên cứu, ví dụ như một phòng thí nghiệm ảo, một khu vườn sinh thái hay một không gian vũ trụ.

– Cải thiện chất lượng cuộc sống và sức khỏe của người dùng, ví dụ như cung cấp những thông tin hữu ích về sức khỏe, dinh dưỡng, luyện tập và giải trí thông qua các thiết bị đeo được hoặc nhúng vào cơ thể.

– Tăng cường khả năng giao tiếp và hợp tác của người dùng, ví dụ như cho phép người dùng chia sẻ những hình ảnh, âm thanh, video và dữ liệu khác với nhau thông qua các thiết bị kết nối không dây hoặc đám mây.

– Khai thác những tiềm năng sáng tạo và nghệ thuật của người dùng, ví dụ như cho phép người dùng tạo ra những tác phẩm nghệ thuật, âm nhạc, trò chơi và câu chuyện riêng của họ bằng cách sử dụng các công cụ thực tế Điot bán dẫn.

Thực tế Điot bán dẫn là một lĩnh vực đầy triển vọng và thách thức, đòi hỏi sự đổi mới và hợp tác giữa các nhà khoa học, kỹ sư, nhà thiết kế và người dùng. Bằng cách kết hợp các công nghệ bán dẫn tiên tiến với các phương pháp thực tế ảo và thực tế tăng cường, thực tế Điot bán dẫn có thể mở ra những khả năng mới cho con người trong thế kỷ 21.

6. Bài tập về Điot bán dẫn và lời giải:

Bài 1: Cho mạch chỉnh lưu cầu đơn pha có điốt bán dẫn D, điện trở tải R = 100 Ω, điện áp xoay chiều vào U = 220 V, tần số f = 50 Hz. Tính giá trị cực đại, cực tiểu và trung bình của dòng điện qua tải.

Lời giải:

– Giá trị cực đại của dòng điện qua tải là khi điốt D dẫn, tức là khi U > 0. Khi đó, I_max = U_max / R = (220 x √2) / 100 ≈ 3.11 A.

– Giá trị cực tiểu của dòng điện qua tải là khi điốt D cắt, tức là khi U < 0. Khi đó, I_min = 0 A.

– Giá trị trung bình của dòng điện qua tải là I_tb = (1 / T) x ∫_0^T I dt, trong đó T = 1 / f là chu kỳ của dòng điện xoay chiều. Ta có:

I_tb = (1 / T) x ∫_0^T I dt

     = (1 / T) x ∫_0^(T/2) I_max dt + (1 / T) x ∫_(T/2)^T I_min dt

     = (1 / T) x (I_max x T / 2) + (1 / T) x (0 x T / 2)

     = I_max / 2

     ≈ 3.11 / 2

     ≈ 1.56 A.

Bài 2: Cho mạch chỉnh lưu cầu đầy đủ có bốn điốt bán dẫn D1, D2, D3, D4, điện trở tải R = 50 Ω, cuộn cảm L = 10 mH, điện áp xoay chiều vào U = 110 V, tần số f = 60 Hz. Tính giá trị cực đại và hiệu suất của mạch.

Lời giải:

– Giá trị cực đại của dòng điện qua tải là khi hai trong số bốn điốt D1, D2, D3, D4 dẫn đồng thời, tức là khi U > 0. Khi đó, I_max = U_max / (R + r), trong đó r là tổng nội trở của hai điốt dẫn. Giả sử r = 0.5 Ω, ta có:

I_max = U_max / (R + r)

      = (110 x √2) / (50 + 0.5)

      ≈ 3.09 A.

– Hiệu suất của mạch là tỉ lệ giữa công suất tiêu thụ trên tải và công suất cấp cho mạch. Ta có:

η = P_tải / P_cấp

   = (I_max^2 x R) / (U_max^2 / R)

   = R^2 / (R + r)^2

   ≈ 0.99.

Bài 3: Cho mạch chỉnh lưu cầu ba pha có sáu điốt bán dẫn D1, D2,…,D6, điện trở tải R = 20 Ω, tụ lọc C = 100 μF, điện áp xoay chiều vào U = 380 V, tần số f = 50 Hz. Tính giá trị cực đại và dao động của điện áp trên tải.

Lời giải:

– Giá trị cực đại của điện áp trên tải là khi ba trong số sáu điốt D1, D2,…,D6 dẫn đồng thời, tức là khi U > 0. Khi đó, U_max = √3 x U / 2 = √3 x 380 / 2 ≈ 329 V.

– Giá trị dao động của điện áp trên tải là sự chênh lệch giữa giá trị cực đại và cực tiểu của điện áp trên tải. Ta có:

ΔU = U_max – U_min

   ≈ U_max – (U_max / (1 + (2 x π x f x R x C)))

   ≈ 329 – (329 / (1 + (2 x π x 50 x 20 x 10^-4)))

   ≈ 14.6 V.