Диод и его вольт-амперная характеристика

Урок объясняет, как устроен диод и почему он пропускает ток только в одну сторону.

Диод — полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью: пропускает ток в прямом направлении и почти не пропускает в обратном.

Диод — простейший нелинейный элемент и основа выпрямителей, защиты и логики. Его поведение нельзя описать постоянным сопротивлением.

p-n переход

Диод — это контакт двух областей полупроводника: $p$-типа (с дырками) и $n$-типа (с электронами). На границе возникает потенциальный барьер. Если приложить «плюс» к $p$-области (прямое включение), барьер понижается и ток течёт. При обратном включении барьер растёт, и ток практически отсутствует.

Уравнение Шокли

Ток диода связан с напряжением экспоненциально:

$$ I = I_S \left(e^{U/(n V_T)} - 1\right), $$

где $I_S$ — обратный ток насыщения, $V_T = kT/q \approx 0{,}026\,\text{В}$ при комнатной температуре — тепловой потенциал, $n$ — коэффициент неидеальности ($\approx 1\dots 2$). Для кремниевого диода заметный ток начинается около $0{,}6\dots 0{,}7\,\text{В}$.

Расчёт ВАХ диода

import math

Is = 1e-12     # ток насыщения, А
Vt = 0.02585   # тепловой потенциал, В
n = 1.0

print("U, В  |  I, мА")
for mv in (300, 500, 600, 700):
    U = mv / 1000
    I = Is * (math.exp(U/(n*Vt)) - 1)
    print(f"{U:.2f}  | {I*1000:.4f}")

Вывод:

U, В  |  I, мА
0.30  | 0.0001
0.50  | 0.2514
0.60  | 12.0320
0.70  | 575.9598

Как работает под капотом

Экспонента в уравнении Шокли объясняет «пороговое» поведение диода: до примерно 0,5 В ток исчезающе мал, а после — лавинообразно растёт. Это не резкий порог, а очень крутая экспонента: каждые дополнительные ~60 мВ увеличивают ток в 10 раз. Поэтому на практике говорят о «падении 0,7 В» на открытом кремниевом диоде — в широком диапазоне токов напряжение почти не меняется, ведь чтобы заметно изменить ток, нужно совсем чуть-чуть подвинуть напряжение. У германиевых диодов порог ниже (~0,3 В), у светодиодов выше (1,8–3,3 В в зависимости от цвета). Тепловой потенциал $V_T$ зависит от температуры, поэтому ВАХ диода «плывёт» при нагреве.

Частые ошибки

• Применяют к диоду закон Ома с постоянным сопротивлением. ВАХ диода экспоненциальна.
• Считают, что диод открывается ровно при 0,7 В как ключ. Это удобное приближение, реальность — плавная экспонента.
• Забывают про обратный ток и пробой при большом обратном напряжении.

Итог

• Диод проводит ток в одну сторону благодаря $p$-$n$ переходу.
• Уравнение Шокли: $I = I_S(e^{U/(nV_T)} - 1)$.
• Кремниевый диод открывается около $0{,}6\dots 0{,}7$ В.
• ВАХ нелинейна, ток растёт экспоненциально.