Применим ли закон Ома к диоду? — Asutpp

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.

Рис. 1. Графический символ выпрямительного диода. Стрелка указывает направление хорошей проводимости через диод.

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.

Рис. 2. Зависимость электрического тока протекающего через диод от приложенного электрического напряжения

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.

Рис. 3. Зависимость между током и напряжением для материалов удовлетворяющих закону Ома

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.).

Рис. 4. Примеры характеристик тока и напряжения для материалов не подчиняющихся закону Ома. Для этих материалов ток не является линейной функцией напряжения.

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.

Физики научились управлять спиновым диодом

Физики предложили схему спинового диода, «зажатого» между слоями различных антиферромагнетиков. Оказалось, что сопротивлением и резонансной частотой такого прибора можно управлять, «поворачивая» антиферромагнетики. Этот подход позволяет в несколько раз увеличить диапазон частот, на которых устройство выпрямляет переменный ток, а чувствительность прибора оказывается сравнима с чувствительностью полупроводниковых диодов. Статья российских ученых опубликована в Physical Review B.

В полупроводниковом диоде соединение областей с повышенной концентрацией электронов и дырок (p-n-переход) приводит к тому, что прибор может пропускать электрический ток только в одну сторону. Используя эту особенность диодов, можно собрать выпрямитель – устройство, которое превращает переменный ток в постоянный. Аналог полупроводникового диода в спинтронике — это спиновый диод.

Спин – это чисто квантовая величина, аналогичная моменту импульса, которым обладают вращающиеся тела из классической механики. В обычном электрическом токе спины электронов направлены хаотично, однако их можно выстроить в одном направлении и получить спиновый ток. Спиновый диод представляет собой два тонких слоя ферромагнетиков, разделенных слоем диэлектрика, в основе его работы лежат эффекты туннельного магнетосопротивления и вращения в результате переноса спина (spin-transfer torque effect).

При пропускании обычного тока через первый слой ферромагнетика спины электронов выстраиваются вдоль намагниченности ферромагнетика, то есть ток становится спиновым. Затем электроны туннелируют через диэлектрик и сталкиваются со вторым ферромагнитным слоем. В зависимости от угла между намагниченностью слоя и спинами электронов частицы лучше или хуже проходят через него – следовательно, сопротивление прибора зависит от ориентации магнитных слоев. Одновременно с этим электроны стараются повернуть второй слой, чтобы проходить через него было проще. Поэтому если пропускать через диод переменный ток, намагниченность его слоев, а следовательно, и сопротивление, будет колебаться одновременно с величиной тока, и в результате ток выпрямляется.

Однако у спиновых диодов есть и недостатки. Например, их чувствительность сильно зависит от частоты переменного тока, резко возрастая около резонансного значения и оставаясь близкой к нулю вдали от него. Кроме того, резонансные частоты всех изготовленных ранее спиновых диодов не превышают двух гигагерц. В то же время, для некоторых приложений – например, для микроволновой голографии – нужны диоды, работающие на бóльших частотах.

В новой работе российские ученые из МФТИ, Российского квантового центра, Института общей физики имени М.А. Прохорова, МИЭТ и Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова описывают способ, с помощью которого можно задавать резонансную частоту спинового диода при изготовлении, а также повысить рабочую частоту диодов. Для этого физики предлагают «зажать» диод между двумя антиферромагнитными слоями. Благодаря обменному закреплению слои ферромагнетиков и антиферромагнетиков оказываются связаны, что позволяет управлять углом между намагниченностями ферромагнетиков – а значит, сопротивлением и резонансной частотой прибора. Чтобы проверить работоспособность предложенной схемы, ученые численно смоделировали спиновый диод со слоями толщиной порядка нескольких нанометров, а затем исследовали его свойства.

Оказалось, что что резонансную частоту нового диода можно изменять от 8,5 до 9,5 гигагерц, контролируя угол φ во время изготовления прибора. Впрочем, стоит отметить, что пока ученые рассмотрели предложенную схему только теоретически. Следующим шагом будет изготовление экспериментального образца и непосредственная проверка предсказанных свойств.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес [email protected].

Диоды — SparkFun Learn

• Главная
• Учебники
• Диоды

≡ Страниц

Авторы: Джимблом

Избранное Любимый 71

Основная функция идеального диода заключается в управлении направлением протекания тока. Ток, проходящий через диод, может идти только в одном направлении, называемом прямым направлением. Ток, пытающийся течь в обратном направлении, блокируется. Они как односторонний клапан электроники.

Если напряжение на диоде отрицательное, ток не может течь*, и идеальный диод выглядит как разомкнутая цепь. В такой ситуации говорят, что диод выключен или смещен в обратном направлении

.

Пока напряжение на диоде не отрицательное, он «включается» и проводит ток. В идеале* диод действовал бы как короткое замыкание (на нем 0 В), если бы он проводил ток. Когда диод проводит ток, он имеет прямое смещение (на жаргоне электроники означает «включено»).

Зависимость тока от напряжения идеального диода. Любое отрицательное напряжение создает нулевой ток — разомкнутая цепь. Пока напряжение неотрицательно, диод выглядит как короткое замыкание.

Ideal Diode Characteristics
Operation Mode	On (Forward biased)	Off (Reverse biased)
Current Through	I>0	I=0
Напряжение через	V = 0	V
Диод выглядит как	Короткая замыкание	Открытая цепь

Символ схемы

Каждый диод имеет двух терминалов на — Концепция

Каждый диуд имеет двух терминалов на — Коннекционирование

Каждый диуд имеет два терминала — Концепция — Концепция — и контакт — и на каждом конец — Коннекционирование — концентрация 9007 — Концепция 9001 — Концепция — Коннекционирование — Концепция — Концепция — Коннекция . эти клеммы имеют полярность , что означает, что эти две клеммы совершенно разные. Важно не перепутать соединения на диоде. Положительный конец диода называется анодом , а отрицательный конец называется 9.0017 катод . Ток может течь от конца анода к катоду, но не в другом направлении. Если вы забыли, каким образом ток течет через диод, попробуйте вспомнить мнемонику ACID : «анодный ток в диоде» (также анод-катод — это диод ).

Символ цепи стандартного диода представляет собой треугольник, упирающийся в линию. Как мы рассмотрим позже в этом уроке, существует множество типов диодов, но обычно их схема выглядит примерно так:

Вывод, входящий в плоский край треугольника, представляет собой анод. Ток течет в направлении, указанном треугольником/стрелкой, но не может двигаться в обратном направлении.

Выше приведена пара простых диодных схем. Слева диод D1 смещен в прямом направлении и позволяет току течь по цепи. По сути это похоже на короткое замыкание. Справа диод D2 смещен в обратном направлении. Ток не может течь по цепи, и она выглядит как разомкнутая цепь.

*Внимание! Звездочка! Не совсем так… К сожалению, идеального диода не существует. Но не волнуйтесь! Диоды действительно настоящие, просто у них есть несколько характеристик, которые заставляют их работать чуть хуже нашей идеальной модели…

---

---

Как нарисовать диод на принципиальной схеме

спросил 10 лет, 10 месяцев назад

Изменено 5 лет, 8 месяцев назад

Просмотрено 19 тысяч раз

\$\начало группы\$

У меня небольшие проблемы с схемой с диодом. Я знаю, что ток течет от минуса к плюсу, но принято считать, что ток идет от плюса к минусу.

При рисовании цепи с диодом вы рисуете стрелку, указывающую на плюс (соответствует фактическому потоку электронов) или на минус (соответствует обычному току)?

Если следовать общепринятым правилам, то наверняка при построении цепей по схеме диод не будет пропускать ток, так как на самом деле он направлен не в ту сторону?

• диоды
• схема

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

При обычном анализе цепей мы почти никогда не задумываемся о том, в каком направлении движутся электроны. Мы почти всегда рассчитываем и визуализируем, как течет «условный ток».

В случае диода (чтобы несколько упростить ситуацию — см. ответ Стивена для некоторых особых случаев) обычный ток течет через диод от анода к катоду; то есть обычный ток течет в направлении, на которое указывает «стрелка» символа диода.

\$\конечная группа\$

7

\$\начало группы\$

Символ стрелки на самом деле представляет собой упрощенное изображение диода с точечным контактом.

Бывает, что указывает на направление обычного тока. «Способ движения электронов» не важен для схемотехники, и вам не следует беспокоиться или даже думать об этом, это приведет только к путанице.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Стрелка диода указывает направление обычного тока.

Обычный ток течет в направлении, противоположном реальному потоку электронов.

Если копнуть глубже в физику, то на самом деле существует два возможных типа тока: электронный ток и дырочный ток. Электронный ток – это движение электронов. Дырочный ток — это движение отсутствия электрона. В своем утверждении «ток течет от отрицательного к положительному» вы имеете в виду поток электронов. Если вы не имеете дело с физикой полупроводниковых устройств, вы обычно не используете «дырочный ток».

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Как и другие, мы всегда думаем об обычном токе, протекающем от более высокого напряжения к более низкому, и тогда стрелка указывает направление тока.

Единственным исключением является стабилитрон , который устанавливается задом наперед. Если вы поместите общий диод назад, он заблокирует ток, сохранив небольшую утечку. Но если повысить напряжение, в какой-то момент произойдет пробой, когда вдруг начнет течь ток, а то его может быть много. Напряжение больше не увеличится. Каждый диод будет вести себя так, и стабилитроны специально созданы для использования этого поведения. При их производстве мы можем контролировать, при каком напряжении произойдет этот пробой.

Если вы поместите стабилитрон обычным образом, направив его в направлении обычного тока, он будет выглядеть как обычный диод, также показывающий падение напряжения 0,7 В.

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Анод диода — это +, а катод — это, чтобы сместить его в прямом направлении и позволить току течь через него.