Nguyên lý và cấu tạo

Diode được cấu tạo bằng mối nối P-N, lớp N thừa điện tử, lớp P thiếu điện tử đồng thờ chứa các phần tử mang điện dạng lỗ trống tạo ra hàng rào điện thế vào khoảng 0,6 V.

Phân cực ngược:

Phân cực thuận:

Ở nhiệt độ bình thường có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện.

Loại P: phần tử mang điện là lỗ trống – mang điện tích dương.

Loại N: phần tử mang điện là các electron – mang điện tích âm.

Khi ta đặt một điện áp lên diode, cực dương gắn với lớp P và cực âm gắn với lớp N, khi đó điện tử được chuyển từ lớp N qua lớp P. Còn các hạt mang điện được chuyển từ lớp P sang lớp N và như vậy có một dòng điện chạy qua diode.

Khi điện áp ngược được đặt lên diode (cực dương gắn với lớp N và cực âm gắn với lớp P), điện tử và phần tử mang điện dạng lỗ trống và các điện tử tự do bị kéo ra xa mối nối, kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua.

Khi điện áp ngược tiếp tục tăng các điện tích cũng tăng gia tốc gây lên va chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng và diode mất tính chất dẫn điện theo một chiều (diode bị hỏng).

Trên hình vẽ, đầu ra của lớp P gọi là Anode (A) và lớp N là Cathode (K).

Đặc tính Volt – Ampere (V – A)

Đặc tính có hai nhánh: nhánh thuận tương ứng với trạng thái dẫn điện (nằm ở góc phần tư I) và nhánh nghịch tương ứng với trạng thái ngắt (nằm ở góc phần tư III)
Giải thích các ký hiệu :

– U0: điện áp khóa của diode, U0 = 0,3V  0,6V tùy theo chất bán dẫn.

– UF: điện áp thuận của diode

– UR: điện áp ngược của diode (điện áp đánh thủng)

– IF: dòng điện thuận chạy qua diode.

Trạng thái đóng ngắt:

Khi điện áp đặt vào anode và cathode lớn hơn điện áp khóa của diode thì diode sẽ dẫn điện, ngược lại thì diode sẽ khóa (không dẫn điện).

– UAK > U0: diode dẫn điện.

– UAK < U0: diode ngưng dẫn.

Ta xét với trườg hợp diode ly tưởng :

– UAK > 0: diode dẫn điện.

– UAK < 0: diode ngưng dẫn.

Các tính chất động của Diode

Quá trình chuyển mạch là quá trình diode chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái ngắt.

Trong khoảng [0 – t0] diode dẫn và dòng qua nó là dòng thuận IF.

Tại thờ điểm t0 diode ngắt, dòng qua diode (dòng thuận) giảm dần về 0.

Khi t = t1: dòng thuận tiến tới 0, nhưng do chuyển động của các hạt dẫn nên diode tiếp tục dẫn với dòng có chiều ngược lại.

Khi t = t2: các hạt dẫn tiêu tán hết, diode khôi phục khả năng khoá áp ngược.

Khi t = t3: dòng ngược giảm về 0. Qúa trình ngắt diode kết thúc.

Thờ gian phục hồi tính nghịch: trr = t3 – t1 ≤ 10-6 s. 

Mạch bảo vệ Diode

Để hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng quá áp và bảo vệ cho diode công suất, ta
mắc song song với diode mạch lọc RC. Tuy nhiên, các diode công suất trên thực tế đã
tích hợp sẳn mạch RC.

Các đại lượng định mức của diode

Điện áp định mức: là điện áp ngược lớn nhất (URM) có thể lặp lại tuần hoàn trên diode.

Dòng điện định mức: là dòng điện thuận lớn nhất (IFM) chạy qua diode mà không làm cho diode bị hỏng.

Để tăng khả năng chịu áp tải ta ghép nối tiếp các diode, để tăng khả năng chịu dòng tải ta ghép song song các diode.

Các thông số chính của diode

Điện áp:

– Giá trị điện áp đánh thủng UBR

– Giá trị cực đại điện áp ngược lập lại: URRM

– Giá trị cực đại điện áp ngược không lập lại: URSM

Dòng điện:

– Giá trị trung bình cực đại dòng điện thuận: IF(AV)M

– Giá trị cực đại dòng điện thuận không lập lại: IFSM

Đặc tính phục hồi của diode

Khi chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái khóa, có khoảng thời gian ngắn diode dẫn dòng ngược gọi là thời gian phục hồi ngược trr (rr: reverse recovery) trước khi thật sự khóa. Dòng điện này ứng với việc xả và nạp nược lại các điện tích của mối nối (tương ứng tụ điện mối nối) khi diode bị phân cực nghịch.

– trr có trị số khá lớn ở diode tần số công nghiệp làm cho chúng không thể làm việc ở vài chục KHz, nhưng khá bé, cỡ vài micro giây ở diode phục hồi nhanh (fast recovery). Ngoài trr, đặc tính phục hồi của diode còn đặc trưng qua điện tích Qrr là tích phân của dòng điện ngược theo t.

– Ảnh hưởng của đặc tính phục hồi: Diode phục hồi nhanh (được dùng cho mạch đóng ngắt tần số cao). Dòng ngược tăng dần đến Ir và giảm về 0 rất nhanh sau đó. Sự thay đổi đột ngột tạng thái của dòng điện này sẽ tạo ra quá áp cho các phần tử mạch hay gây nhiễu do các L của mạch hay ký sinh do tốc độ tăng (giảm) dòng di/dt lớn.

Ta có trr = ta + tb. Nếu cho tb là không đáng kể thì trr = ta.

Vậy với Qrr cho trước, để giảm Ir cần phải hạn chế di/dt khi khóa.

Không chỉ diode, SCR với tư cách là chỉnh lưu có điều khiển cũng gặp vấn đề tương tự.

Phân loại Diode

Theo sụt áp thuận, loại thường (dùng silic) từ 0,6 đến 1,2V, thường tính bằng  1V. Ở mạch dòng lớn hơn, áp thấp có thể dùng công nghệ Schottky, để có sụt áp thuận bé 0,2-0,4V.

Có loại diode dòng bé dùng cho mạch xử lý tín hiệu, diode công suất chịu dòng lớn hơn cho mạch điện tử công suất, diode làm việc ở mạch cao tần có tụ điện mối nối bé.

Diode công suất chia làm hai loại: dùng ở tần số công nghiệp (diode chỉnh lưu) và diode dùng cho mạch đóng ngắt ở tần số cao.