Задавались ли вы вопросом, выполняется ли известный закон Ома, который гласит, что ток, протекающий через проводник, пропорционален напряжению, действующему между концами проводника, например, для полупроводников? Оказывается, что не все элементы электрической цепи подчиняются этому закону. В этой статье вы узнаете больше об этом.
Что такое диод и как он работает?
Диод (англ. diode) — это двухконтактный (двухэлектродный) электронный компонент, который проводит электричество асимметрично, то есть больше в одном направлении, чем в другом. Исторически первыми диодами были кристаллические детекторы и вакуумные диоды. Сегодня наиболее распространенным типом являются полупроводниковые диоды, построенные из двух слоев по-разному легированного полупроводника, которые вместе образуют p-n-переход.
Диод (рис. 1.) — это электронный компонент, основным свойством которого является неравномерное проведение тока в двух направлениях. В направлении хорошей проводимости, при электрическом напряжении постоянной величины, электрический ток может быть более чем в миллион раз больше, чем в противоположном направлении — так называемом направлении прекращения проводимости.
Работа диода хорошо иллюстрируется характеристикой ток-напряжение, т.е. зависимостью тока, протекающего через диод, от приложенного электрического напряжения — рис. 2. Эта характеристика выглядит одинаково для большинства типов диодов.
Из рисунка видно, что в направлении проводимости (положительные напряжения) уже при небольшом напряжении — обычно ниже — 1 В через диод начинает протекать достаточно большой электрический ток. Напряжение, при котором диоды работают в направлении проводимости, составляет от примерно 0,3 В для германиевых диодов до примерно 4 В для фиолетовых светоизлучающих диодов.
Рабочие токи, используемые на практике, могут варьироваться от нескольких десятков миллиампер в светодиодах до нескольких килоампер в диодах, используемых в электротехнике. Все диоды имеют определенный максимальный ток, превышение которого чревато разрушением структуры диода.
В обратном направлении через диоды протекает очень маленький электрический ток, даже меньше 10-6 A. После достижения напряжения пробоя ток быстро увеличивается и мало зависит от приложенного электрического напряжения.
Напряжение пробоя варьируется от нескольких вольт для обычного диода до нескольких тысяч вольт для диодов, используемых в электротехнике.
Почему диоды не подчиняются закону Ома?
Закон Ома гласит, что сила тока, протекающего через проводник или другой элемент электрической цепи, прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому проводнику (другому элементу цепи). Мы можем выразить этот закон формулой:
I = U / R
где U — электрическое напряжение, приложенное к проводнику, I — электрический ток, протекающий под действием этого электрического напряжения, а R — электрическое сопротивление проводника (или другого элемента цепи).
Закон Ома выполняется для тех элементов цепи, для которых сопротивление постоянно и не зависит от напряжения.
Закон Ома выполняется для металлических проводников, но не во всем диапазоне тока. При больших электрических токах проводники начинают нагреваться в результате протекания электрического тока, и повышение температуры приводит к увеличению их электрического сопротивления.
Для элементов цепи, в диапазоне напряжений, при которых выполняется закон Ома, график зависимости электрического тока от напряжения представляет собой прямую линию (рис. 3.), независимо от направления приложенного напряжения. Наклон графика зависит от электрического сопротивления рассматриваемого элемента.
Если график зависимости электрического тока от напряжения не является прямой линией, то данный элемент цепи не подчиняется закону Ома — электрическое сопротивление этих элементов изменяется с изменением напряжения (рис. 4.).
Как видно из характеристики ток-напряжение диода, показанной на рис. 2, диоды не подчиняются закону Ома, и их электрическое сопротивление изменяется в очень широком диапазоне и зависит как от величины электрического напряжения, так и от направления, в котором оно приложено. Причина таких свойств диода кроется в явлениях, происходящих на p-n переходе.