Phương trình diode Shockley là gì?
Phương trình diode Shockley là mô hình nền tảng mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của diode bán dẫn có tiếp giáp p-n. Do William Shockley phát triển, phương trình này liên hệ dòng điện chạy qua một diode lý tưởng với điện áp đặt lên hai đầu của nó. Công cụ này giúp bạn tính giá trị của phương trình với bất kỳ tổ hợp nào của dòng bão hòa, điện áp đặt vào, hệ số lý tưởng và nhiệt độ.
Cách sử dụng công cụ
Hãy nhập dòng bão hòa ngược Is (thường khoảng \(1\times10^{-12}\ \text{A}\) đối với silic), điện áp đặt vào V tính bằng vôn, hệ số lý tưởng n (nằm trong khoảng từ 1 đến 2, thường bằng 1 với diode lý tưởng) và nhiệt độ tuyệt đối T tính bằng kelvin (nhiệt độ phòng \(\approx 300\ \text{K}\)). Công cụ sẽ trả về dòng điện qua diode tính bằng ampe cùng với điện áp nhiệt Vt.
Giải thích công thức
Dòng điện được tính theo công thức
$$I = \text{I}_S \left( e^{\frac{V}{n\,V_T}} - 1 \right)$$trong đó điện áp nhiệt \(V_T = \dfrac{kT}{q}\). Ở đây \(k = 1{,}380649\times10^{-23}\ \text{J/K}\) là hằng số Boltzmann, \(q = 1{,}602176634\times10^{-19}\ \text{C}\) là điện tích nguyên tố, và T là nhiệt độ tính bằng kelvin. Tại 300 K, \(V_T \approx 0{,}02585\ \text{V}\) (khoảng 25,85 mV). Khi phân cực thuận, số hạng mũ chiếm ưu thế, khiến dòng điện tăng vọt theo điện áp; còn khi phân cực ngược, phương trình tiến dần về \(-\text{I}_S\).
Ví dụ minh họa
Với \(\text{I}_S = 1\times10^{-12}\ \text{A}\), \(V = 0{,}7\ \text{V}\), \(n = 1\) và \(T = 300\ \text{K}\):
$$V_T = \frac{1{,}380649\times10^{-23} \times 300}{1{,}602176634\times10^{-19}} \approx 0{,}025852\ \text{V}$$Khi đó \(\frac{V}{n\,V_T} \approx 27{,}08\), \(e^{27{,}08} \approx 5{,}78\times10^{11}\), nên
$$I \approx 1\times10^{-12} \times 5{,}78\times10^{11} \approx 0{,}578\ \text{A}$$Câu hỏi thường gặp
Hệ số lý tưởng n là gì? Hệ số này phản ánh hiện tượng tái hợp và các tác động không lý tưởng khác; \(n = 1\) với diode lý tưởng do khuếch tán chi phối, và tiến gần đến 2 khi tiếp giáp bị chi phối bởi quá trình tái hợp.
Vì sao nhiệt độ lại quan trọng? Nhiệt độ cao hơn làm tăng điện áp nhiệt Vt và khiến Is tăng mạnh, do đó hoạt động của diode phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ.
Điều gì xảy ra khi phân cực ngược? Khi V âm và có độ lớn lớn, số hạng mũ triệt tiêu và dòng điện bão hòa ở giá trị xấp xỉ \(-\text{I}_S\).
