Tất cả về điốt

Một diode là một thiết bị điện cho phép hiện tại để di chuyển qua nó theo một hướng một cách dễ dàng lớn hơn nhiều so với người kia. Loại diode phổ biến nhất trong thiết kế mạch hiện đại là diode bán dẫn , mặc dù các công nghệ diode khác tồn tại. Điốt bán dẫn được ký hiệu trong các sơ đồ như hình dưới đây. Thuật ngữ Diode Diode thường được dành riêng cho các thiết bị tín hiệu nhỏ, I 1 A. Thuật ngữ chỉnh lưu được sử dụng cho các thiết bị nguồn, I> 1 A.

Ký hiệu sơ đồ diode bán dẫn: Mũi tên chỉ hướng của dòng điện.

Khi được đặt trong một mạch đèn pin đơn giản, diode sẽ cho phép hoặc ngăn dòng điện qua đèn, tùy thuộc vào cực tính của điện áp đặt vào . (Hình bên dưới)

Hoạt động điốt: (a) Dòng điện được phép; các diode được phân cực thuận. (b) Dòng chảy bị cấm; các diode được đảo ngược thiên vị.

Khi cực của pin sao cho dòng điện được phép chạy qua diode, diode được gọi là phân cực thuận . Ngược lại, khi pin bị lạc hậu và có thể chặn dòng diode, thì diode được gọi là phân cực ngược . Một diode có thể được coi là giống như một công tắc : Chuyển hướng đóng khi có xu hướng chuyển tiếp và có xu hướng mở khi có xu hướng ngược.

Hướng của đầu mũi tên của biểu tượng Diode điểm điểm theo hướng của dòng điện trong dòng chảy thông thường . Quy ước này đúng với tất cả các chất bán dẫn sở hữu mũi tên mũi nhọn trong sơ đồ của họ. Điều ngược lại là đúng khi dòng điện tử được sử dụng, trong đó hướng hiện tại là chống lại mũi tên Mũi nhọn.

Tương tự kiểm tra van thủy lực

Hành vi điốt tương tự như hành vi của một thiết bị thủy lực gọi là van kiểm tra . Một van kiểm tra cho phép chất lỏng chảy qua nó theo một hướng như trong hình dưới đây.

Tương tự van kiểm tra thủy lực: (a) Dòng chảy cho phép. (b) Dòng chảy bị cấm.

Các van kiểm tra về cơ bản là các thiết bị hoạt động bằng áp suất: chúng mở và cho phép dòng chảy nếu áp suất ngang qua chúng là cực chính xác, có thể mở cổng (theo cách tương tự được hiển thị, áp suất chất lỏng lớn hơn ở bên phải so với bên trái). Nếu áp suất là cực phân cực ngược lại, thì chênh lệch áp suất trên van kiểm tra sẽ đóng và giữ cổng để không xảy ra dòng chảy.

Giống như van kiểm tra, điốt về cơ bản là các thiết bị hoạt động (áp suất điện áp). Sự khác biệt cơ bản giữa phân cực thuận và phân cực ngược là cực tính của điện áp rơi trên diode. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn về mạch đèn pin-diode đơn giản được hiển thị trước đó, lần này điều tra sự sụt giảm điện áp trên các thành phần khác nhau trong hình dưới đây.

Đo điện áp mạch diode: (a) Chuyển tiếp sai lệch. (b) Đảo ngược.

Cấu hình Diode chuyển tiếp

Một diode phân cực thuận dẫn dòng điện và giảm một điện áp nhỏ trên nó, khiến phần lớn điện áp pin rơi trên đèn. Nếu cực tính của pin bị đảo ngược, diode sẽ bị phân cực ngược và giảm tất cả điện áp của pin không để lại cho đèn. Nếu chúng ta coi diode là một công tắc tự kích hoạt (đóng ở chế độ phân cực thuận và mở ở chế độ phân cực ngược), thì hành vi này có ý nghĩa. Sự khác biệt đáng kể nhất là diode giảm điện áp nhiều hơn khi tiến hành so với công tắc cơ trung bình (0,7 volt so với hàng chục millivolts).

Sự sụt giảm điện áp phân cực thuận này được thể hiện bởi diode là do tác động của vùng suy giảm được hình thành bởi đường giao nhau PN dưới ảnh hưởng của điện áp ứng dụng. Nếu không có điện áp được sử dụng trên một diode bán dẫn, một vùng cạn kiệt sẽ tồn tại xung quanh khu vực của ngã ba PN, ngăn chặn dòng điện. (Hình bên dưới (a)) Vùng cạn kiệt gần như không có các hạt mang điện có sẵn và hoạt động như một chất cách điện:

Biểu diễn điốt: mô hình ngã ba PN, ký hiệu sơ đồ, phần vật lý.

Ký hiệu sơ đồ của diode được thể hiện trong hình trên (b) sao cho cực dương (đầu nhọn) tương ứng với chất bán dẫn loại P tại (a). Thanh catốt, đầu không nhọn, tại (b) tương ứng với vật liệu loại N tại (a). Cũng lưu ý rằng dải cực âm trên phần vật lý (c) tương ứng với cực âm trên ký hiệu.

Cấu hình đảo ngược xu hướng

Nếu điện áp phân cực ngược được đặt trên đường giao nhau PN, vùng cạn kiệt này sẽ mở rộng, tiếp tục chống lại bất kỳ dòng điện nào qua nó. (Hình bên dưới)

Khu vực cạn kiệt mở rộng với sự thiên vị ngược.

Điện áp chuyển tiếp

Ngược lại, nếu điện áp phân cực thuận được đặt trên đường giao nhau PN, vùng cạn kiệt sẽ sụp đổ trở nên mỏng hơn. Các diode trở nên ít điện trở hơn với dòng điện thông qua nó. Để một dòng điện bền vững đi qua diode; mặc dù, vùng cạn kiệt phải được thu gọn hoàn toàn bởi điện áp đặt vào. Điều này cần một điện áp tối thiểu nhất định để thực hiện, được gọi là điện áp chuyển tiếp như được minh họa trong hình dưới đây.

Tăng độ lệch về phía trước từ (a) đến (b) làm giảm độ dày vùng suy giảm.

Đối với điốt silicon, điện áp chuyển tiếp điển hình là 0,7 volt, danh nghĩa. Đối với điốt Germanium, điện áp chuyển tiếp chỉ là 0,3 volt. Thành phần hóa học của tiếp giáp PN bao gồm các diode chiếm số điện áp chuyển tiếp danh nghĩa của nó, đó là lý do tại sao điốt silicon và gecmani có điện áp chuyển tiếp khác nhau như vậy. Sự sụt giảm điện áp chuyển tiếp vẫn xấp xỉ không đổi đối với một loạt các dòng diode, có nghĩa là sự sụt giảm điện áp diode không giống như điện trở hoặc thậm chí là một công tắc (đóng) bình thường. Đối với phân tích mạch đơn giản nhất, điện áp rơi trên một diode dẫn có thể được coi là hằng số tại hình danh định và không liên quan đến lượng dòng điện.

Phương trình điốt

Trên thực tế, giảm điện áp chuyển tiếp là phức tạp hơn. Một phương trình mô tả dòng điện chính xác thông qua một diode, với điện áp rơi trên đường giao nhau, nhiệt độ của đường giao nhau và một số hằng số vật lý. Nó thường được gọi là phương trình diode :

Thuật ngữ kT / q mô tả điện áp được tạo ra trong đường giao nhau PN do tác động của nhiệt độ và được gọi là điện áp nhiệt hay Vt của đường giao nhau. Ở nhiệt độ phòng, đây là khoảng 26 millivolts. Biết được điều này và giả sử hệ số không có độ tin cậy là 1, chúng ta có thể đơn giản hóa phương trình diode và viết lại như sau:

Bạn không cần phải làm quen với phương trình diode Diode để phân tích các mạch diode đơn giản. Chỉ cần hiểu rằng điện áp rơi trên một diode dẫn dòng điện sẽ thay đổi theo dòng điện đi qua nó, nhưng sự thay đổi này là khá nhỏ trong một loạt các dòng điện. Đây là lý do tại sao nhiều sách giáo khoa chỉ đơn giản nói rằng điện áp rơi trên một diode dẫn, bán dẫn không đổi ở mức 0,7 volt đối với silicon và 0,3 volt đối với gecmani.

Tuy nhiên, một số mạch cố ý sử dụng mối quan hệ dòng điện / điện áp theo cấp số nhân của ngã ba PN và do đó chỉ có thể được hiểu trong bối cảnh của phương trình này. Ngoài ra, vì nhiệt độ là một yếu tố trong phương trình diode, nên một tiếp giáp PN phân cực thuận cũng có thể được sử dụng như một thiết bị cảm biến nhiệt độ, và do đó chỉ có thể được hiểu nếu người ta nắm bắt được khái niệm về mối quan hệ toán học này.

Hoạt động thiên vị ngược

Một diode phân cực ngược ngăn dòng điện đi qua nó, do vùng cạn kiệt mở rộng. Trong thực tế, một lượng rất nhỏ dòng điện có thể và đi qua một diode phân cực ngược, được gọi là dòng rò , nhưng nó có thể bị bỏ qua cho hầu hết các mục đích.

Khả năng của một diode chịu được điện áp phân cực ngược bị hạn chế, vì nó là cho bất kỳ chất cách điện nào. Nếu điện áp phân cực ngược được áp dụng trở nên quá lớn, diode sẽ gặp tình trạng gọi là sự cố (hình dưới), thường là phá hủy.

Xếp hạng điện áp phân cực ngược tối đa của một diode được gọi là Điện áp nghịch đảo đỉnh , hoặc PIV , và có thể được lấy từ nhà sản xuất. Giống như điện áp chuyển tiếp, định mức PIV của một diode thay đổi theo nhiệt độ, ngoại trừ việc PIV tăng khi nhiệt độ tăng và giảm khi diode trở nên lạnh hơn đối nghịch với điện áp thuận.

Đường cong diode: hiển thị đầu gối ở độ lệch 0,7 V cho Si và phân tích ngược.

Thông thường, xếp hạng PIV của một diode chỉnh lưu chung chung là ít nhất 50 volt ở nhiệt độ phòng. Điốt có xếp hạng PIV trong hàng ngàn volt có sẵn với giá khiêm tốn.

ÔN TẬP:

Một diode là một thành phần điện hoạt động như một van một chiều cho dòng điện.
Khi điện áp được đặt trên một diode theo cách mà diode cho phép dòng điện, diode được gọi là phân cực thuận .
Khi điện áp được đặt trên một diode theo cách mà diode cấm dòng điện, thì diode được gọi là phân cực ngược .
Điện áp rơi trên một diode dẫn, phân cực thuận được gọi là điện áp thuận . Điện áp chuyển tiếp cho một diode chỉ thay đổi một chút cho những thay đổi về dòng điện và nhiệt độ, và được cố định bởi thành phần hóa học của tiếp giáp PN.
Điốt silicon có điện áp chuyển tiếp khoảng 0,7 volt.
Điốt Germanium có điện áp chuyển tiếp khoảng 0,3 volt.
Điện áp phân cực ngược tối đa mà một diode có thể chịu được mà không cần phá vỡ ra được gọi là điện áp nghịch đảo đỉnh hay xếp hạng PIV .