Зависимость тока, протекающего через диод от приложенного напряжения

Диоды представляют собой полупроводниковые элементы, которые обладают уникальной способностью проводить электрический ток в одном направлении и практически не проводить в другом. Эта особенность обусловлена их структурой, которая включает в себя p-n переход, разделяющий два типа полупроводников (p-типа и n-типа). Зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного напряжения играет важную роль в понимании его работы в различных схемах.

В этой статье будет рассмотрена математическая модель зависимости тока от напряжения, физическое объяснение этого явления, а также практическое применение различных типов диодов, включая диоды с различными характеристиками, такие как кремниевые и германиевые диоды.

Основные характеристики диодов

Для анализа зависимости тока от напряжения важно понимать основные параметры, которые определяют работу диода:

Пороговое напряжение (или напряжение срабатывания) – минимальное напряжение, при котором диод начинает проводить ток. Для кремниевых диодов это обычно около 0,7 В, для германиевых – около 0,3 В.
Ток насыщения – ток, который протекает через диод в случае, когда на его выводах установлено напряжение, но оно еще не превышает пороговое. Этот ток обычно очень мал и зависит от материала, из которого изготовлен диод.
Обратная характеристика – поведение диода при приложении отрицательного напряжения, когда диод не проводит ток, за исключением очень малых токов, обусловленных диффузией носителей заряда через p-n переход.

Математическое описание зависимости тока от напряжения

Одним из основных уравнений, описывающих зависимость тока от напряжения на диоде, является уравнение Шокли, которое представлено следующим образом:

$I=Is(eVVT−1)I = I_s \left( e^{\frac{V}{V_T}} — 1 \right)$

где:

$II$ — ток, протекающий через диод,
$IsI_s$ — ток насыщения (ток при обратном напряжении или при приложении малых положительных напряжений),
$VV$ — напряжение, приложенное к диоду,
VTV_T — тепловое напряжение, которое определяется как VT=kTqV_T = \frac{kT}{q}, где:
- $kk$ — постоянная Больцмана,
- $TT$ — абсолютная температура,
- $qq$ — заряд электрона.

В уравнении Шокли выражается экспоненциальная зависимость тока от напряжения. Это означает, что при малых напряжениях ток через диод почти не изменяется, но с увеличением напряжения ток начинает расти экспоненциально.

Пояснение формы уравнения

При низких напряжениях, когда $V≪VTV \ll V_T$ , в уравнении $eVVT−1e^{\frac{V}{V_T}} — 1$ можно принять, что $-1-1$ становится незначительным, и ток будет зависеть от экспоненты: $I≈IseVVTI \approx I_s e^{\frac{V}{V_T}}$ . Это объясняет, почему диод начинает проводить ток лишь при достижении определенного порога напряжения.
При высоких напряжениях, когда $V>VTV > V_T$ , экспоненциальный рост тока становится еще более выраженным, и диод будет проводить ток с большей интенсивностью.
При обратном напряжении (когда $VV$ отрицательно), ток через диод остается очень малым (обратный ток), но все же существует небольшой ток насыщения $IsI_s$ , который описывается по формуле $I≈−IsI \approx -I_s$ .

Роль температуры в зависимости тока от напряжения

Температура значительно влияет на характеристики диода. Температурный коэффициент для токов в диодах означает, что с повышением температуры увеличивается величина тока насыщения $IsI_s$ . В свою очередь, это приводит к тому, что с повышением температуры ток через диод при одинаковом напряжении будет возрастать.

Тепловое напряжение $VTV_T$ также зависит от температуры, так как оно пропорционально температуре. Это также влияет на характер зависимости тока от напряжения, так как при повышении температуры увеличивается эффект, связанный с ростом экспоненты в уравнении Шокли.

Практическое применение зависимости тока от напряжения

Зависимость тока от напряжения в диодах применяется в различных областях электротехники и электроники:

Выпрямление переменного тока: Диоды активно используются в выпрямительных схемах, где они преобразуют переменный ток в постоянный. В таких схемах диод пропускает ток только в одну сторону, эффективно блокируя ток в обратной.
Стабилизация напряжения: Использование диодов, особенно стабилитронов, позволяет создавать устройства для стабилизации напряжения. Такие диоды имеют специфические характеристики, которые обеспечивают работу в режиме стабилизации на определенном напряжении.
Преобразование сигналов: Диоды находят применение в различных схемах обработки сигналов, таких как амплитудная модуляция (АМ) и в схемах, использующих принцип детектирования.
Защита цепей: Диоды используются для защиты электронных цепей от обратных напряжений или перенапряжений, так как их поведение в обратном направлении эффективно ограничивает ток, предотвращая повреждения элементов схемы.

Влияние различных типов диодов на зависимость тока от напряжения

В зависимости от типа используемого диода характеристики зависимости тока от напряжения могут значительно изменяться. Рассмотрим несколько типов диодов:

Кремниевый диод: Это наиболее распространенный тип диодов, который имеет пороговое напряжение около 0,7 В. При приложении напряжения ниже этого значения ток через диод будет крайне малым, а после превышения порога начнется экспоненциальный рост тока.
Германиевый диод: Эти диоды имеют более низкое пороговое напряжение (около 0,3 В). Они обладают большими токами насыщения и более выраженным эффектом повышения тока при увеличении напряжения, что делает их более чувствительными к температурным колебаниям.
Стабилитрон: Это диод, специально разработанный для работы в режиме стабилизации напряжения. Он имеет обратную характеристику, которая позволяет ему проводить ток при определенном обратном напряжении, обеспечивая стабильность в работе устройства.
Шоттки-диоды: Эти диоды обладают очень малым порогом напряжения (около 0,2–0,3 В) и высокой скоростью переключения. Шоттки-диоды используются в приложениях, где важно быстрое изменение состояния и минимальные потери на пороговом напряжении.
Зенеровский диод: Этот тип диодов используется для стабилизации напряжения в цепях. В обратном направлении они проводят ток при напряжении, превышающем заданное значение, и обеспечивают стабилизацию на этом уровне.

Заключение

Зависимость тока от напряжения в диодах описывается экспоненциальным законом, который объясняет как ток через диод увеличивается с ростом напряжения. При этом температура и тип диода оказывают значительное влияние на эту зависимость. Практическое использование диодов охватывает широкий спектр областей, от выпрямления переменного тока до защиты и стабилизации электрических цепей.