Warum ist die Durchlassspannung der Diode konstant?

Wenn Sie eine Diode mit einer bestimmten Sperrspannung (z. B. 0,7 V für Si) haben und eine Spannung anlegen, die höher als dieses Sperrpotential ist, warum bleibt dann die Spannung über der Diode bei 0,7 V?

Ich verstehe, dass die Ausgangsspannung an der Diode ansteigt, wenn ein sinusförmiger Eingang angelegt wird, bis sie die 0,7-Marke erreicht. Ich verstehe jedoch nicht, warum sie nach diesem Punkt konstant bleibt.

Es macht für mich Sinn, dass jedes Potential, das größer als dieses Barrierenpotential ist, Strom durchlässt, und dementsprechend sollte das Potential über der Diode die angelegte Spannung minus 0,7 V sein.

Wer hat dir gesagt, dass es konstant ist?
"Warum ist die Durchlassspannung der Diode konstant?" Ist es nicht, also ist der Rest der Frage ziemlich sinnlos.
@DmitryGrigoryev zumindest in der Einführung in Elektronikkurse an meiner Universität sind alle Dioden in Hausaufgaben und Prüfungen Dioden mit konstanter Durchlassspannung.
Sie ist an sich nicht konstant, es ist nur so, dass über die Betriebsbedingungen, unter denen eine Diode verwendet würde, ihre Durchlassspannung um einen sehr kleinen Betrag variieren sollte. Selbst wenn also die Strommenge durch eine Diode verdoppelt wird, soll der Spannungsabfall nur um höchstens einige 10 mV abfallen. Schauen Sie sich einfach die Diodengleichung an, die den Strom mit dem Spannungsabfall verknüpft, wenn Sie mir nicht glauben.
@taylorswift Wir haben zu diesem Zweck ideale Dioden verwendet. Der Vorteil einer idealen Diode ist, dass Sie wissen, dass sie ideal ist, also gibt es keinen Raum für Fragen wie diese.
Nur weil es eine Frage war, die ich mir vor Jahren bei Elektronikkursen gestellt habe, wurde sie positiv bewertet: Es ist eine berechtigte Frage, und die Antworten sind für Anfänger sehr aufschlussreich. Sie sollten eine der massiv positiv bewerteten Antworten akzeptieren.
Keine der Antworten gibt an, warum der Spannungsabfall relativ konstant ist, wenn die angelegte Spannung erhöht wird. Die meisten Antworten wiederholen nur, dass sich die Spannung nach 0,7 V viel langsamer ändert.
Spannung und Strom sind direkt proportional - eine Erhöhung des Stroms führt also zu einer Erhöhung der Spannung.

Antworten (8)

Die Spannung an der Diode bleibt nicht bei etwa 0,7 V. Wenn Sie den Strom erhöhen, steigt auch die Durchlassspannung (hier: 1N400x):

1N4001 Durchlassspannung vs. Durchlassstrom

Und wenn Sie den Strom noch weiter erhöhen, wird die Verlustleistung zu groß und die Diode wird schließlich zu einer LED (Light Emitting Diode) und kurz darauf zu einer SED (Smoke Emitting Diode). Eine größere Durchlassspannung kann also in der Praxis nicht vorkommen.

massives Upvote für die Rauch emittierende Diode
NED = Noise Emitting Diode. ;-)
Diese Kurve sah glatter aus, als sie hätte sein sollen ... bis mir klar wurde, dass die y-Achse logarithmisch war!
Ich bin nur beigetreten, um dies für SED zu verbessern.
Wo eine Rauchdiode ist, ist eine Feuerdiode.
lol. Es sollte beachtet werden, dass das obige Diagramm den logarithmischen Strom gegenüber der linearen Spannung darstellt. also ist eine gerade Linie (links) tatsächlich eine Exponentialkurve. Das bedeutet, dass der Strom viel schneller ansteigt als die Spannung. Die Spannung bewegt sich also ein wenig von 0,7 V, aber nicht viel, bevor Sie SED erhalten.
In meiner College-Zeit (70er) hatte ich einen Mitbewohner, der überschüssige Computerplatinen mit Tonnen von Glasdioden kaufte. Er würde die Enden eines Netzkabels nacheinander über jede Diode klemmen, ein Schnapsglas über die Diode stellen und das Kabel dann in die Steckdose stecken. Es gab Ton und Licht, aber im Grunde keinen Rauch, als die Diode verdampfte. Die heißen Glasspritzer würden sich auf der Innenseite des Schnapsglases ablagern. Nach Hunderten von Dioden hatte sich in seinem Schnapsglas eine beträchtliche Schicht aufgebaut. (Bitte vermeiden Sie es, dies zu Hause zu tun, es war eine dumme und potenziell gefährliche Aktivität).
@Michael, der typische 1n400x ist eine in Kunststoff eingeschlossene Diode. Wahrscheinlicher zu rauchen als die aus Glas.
@Passerby - Oh, ich stimme zu.
So amüsant diese Antwort auch ist, aus der Diode würde normalerweise keine LED werden. Aufgrund des verbotenen Übergangs in Silizium (Mangel an Impuls) würde es zu einem SED werden, lange bevor es leuchten würde.
@CL. Ist es hypothetisch möglich, eine Spannung von beispielsweise 1 V über der Diode aufrechtzuerhalten, ohne jedoch Strom zu leiten? Oder, mit anderen Worten, ist eine Eber-Moll-Strommenge erforderlich, um über der Diode mehr als 0,7 V aufrechtzuerhalten? Aus dem Fermibanddiagramm geht hervor, dass nur Spannung benötigt wird, damit die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt wird, und dass ausreichend Ladungsträger für einen sehr großen Stromfluss bereitgestellt werden.
@eliu Die Grafik sagt Hochspannung nur bei hohem Strom.

Spannung ist das, was wir beobachten und messen können, aber was sich auch ändert, ist der Widerstand.

Eine Diode beginnt als großer Widerstand, da Sie Spannung an sie anlegen, bleibt dieser Widerstand ziemlich konstant, bis Sie sich der Durchbruchspannung nähern. An diesem Punkt beginnt der Widerstand zu fallen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Hinter dem Knie ist der Widerstand sehr gering. Jede weitere Erhöhung nach dem Knie verursacht kaum eine Änderung des Widerstands.

Da R gesunken ist, müssen Sie den Strom stark erhöhen, um diese Spannung aufrechtzuerhalten. Die Diode ist zu einem kleinen Widerstands-"Schalter" geworden und kann daher als EIN bezeichnet werden.

Das volle Spannungs-Strom-Verhältnis einer Diode sieht so aus.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Steigung vor dem Knie ist die Vorwärts-Aus-Leitfähigkeit (1/R), die Steigung hinter dem Knie ist die Vorwärts-EIN-Leitfähigkeit.

Die eigentliche Mathematik ist natürlich viel komplizierter, aber ich finde, dass diese Beschreibung den Leuten hilft, sie zu verstehen.

Der erste Graph dieser Antwort hat zwei Wendepunkte im positiven Spannungsbereich. Die in der Antwort von CL gezeigte Grafik spiegelt jedoch nicht dasselbe Merkmal wider. Obwohl das eine den Widerstand gegenüber der Spannung und das andere den Strom gegenüber der Spannung anzeigt (zwei unterschiedliche Beziehungen), sind sie eng miteinander verbunden. Ich würde denken, dass beide oder keine zwei Wendepunkte haben würden.
@donjuedo, ja, das erste ist mit Sicherheit eher eine Vereinfachung. Bringt es aber auf den Punkt.
"Hinter dem Knie ist der Widerstand sehr niedrig. Jede weitere Erhöhung nach dem Knie bewirkt kaum eine Änderung des Widerstands" - das stimmt, aber die meisten Dioden werden nicht weit über das Knie hinaus betrieben, da dies zu einem übermäßigen Spannungsabfall (und einer Verlustleistung) führt.
Re, "Was sich tatsächlich ändert, ist Widerstand" Hüten Sie sich davor, "eigentlich" zu sagen. Fragen Sie einen Physiker, was "eigentlich" passiert, und Sie werden ein Ohr für die Quantenfeldtheorie haben. Das Wort "Widerstand" stammt von Georg Ohms Modell , wie Elektrizität in Leitern fließt. Eine PN-Diode passt nicht wirklich zu diesem Modell, aber wenn es Ihnen hilft , sich Dioden mit variablem Widerstand vorzustellen, dann ist sie Teil Ihres Modells. Wenn es für Sie funktioniert, dann Hey! Es funktioniert für Sie. Solange wir uns alle auf dieselbe I/V-Kurve einigen, ist alles cool.
@jameslarge :) ja, guter Punkt. Aber versuchen Sie einem Fünfjährigen zu erklären, warum der Himmel blau ist ... Ich habe es allerdings umformuliert.
Rayleigh-Streuung ez, @jameslarge, macht es Ihnen etwas aus, das PN-Übergangsmodell vom Standpunkt der Festkörperphysik aus zu erklären? genauer gesagt, woher der Innenwiderstand stammt, und wenn dies die Hauptursache dafür ist, was den Strom durch die Diode begrenzt, wenn ja, dann glaube ich, ich verstehe die Antwort auf meine ursprüngliche Frage (Strom ist begrenzt und daher nach dem Ohmschen Gesetz ( im Idealbereich natürlich)).
@sdpatel, der Strom ist NICHT begrenzt ... und die Spannung auch nicht ... verwechseln Sie ideale Dioden nicht mit echten Dioden. Sie gehen nur niederohmig, wenn man sie einschaltet. Bei niedrigem Widerstand müssen Sie viel Strom durchlassen, um eine signifikante Spannungsänderung zu sehen.
@sdpatel, Entschuldigung, ich kenne mich nicht mit Festkörperphysik aus. Ich bin nur ein Softwarefreak, der manchmal an einfachen elektronischen Schaltungen bastelt. Mein Verständnis von Halbleiterdioden beschränkt sich auf die Idee, dass der Arbeitspunkt irgendwo auf dieser festen Kurve liegt, solange Sie die Magie nicht rauchen lassen . Und wirklich, die meiste Zeit gehe ich von einem noch einfacheren Modell aus: Dasjenige, das sagt: "Die Durchlassspannung wird irgendwo nahe bei N Volt liegen" (wobei N davon abhängt, ob es sich um eine bestimmte LED-Farbe handelt, eine Schottkey-Diode, oder ein 1N400_x_.)
@sdpatel, Sie könnten versuchen, den Physics Stack Exchange zu durchsuchen: physical.stackexchange.com/search?q=diode
Die zweite Grafik sieht für mich auch nicht wahr aus. Soweit ich das Quantenverhalten des Übergangs verstehe, sollte er sich bei kleinen Spannungen so verhalten ich ∼ ( e a v − 1 ) für einige konstant a -- aber Ihr Diagramm zeigt einen Bereich für kleine positive Werte v wo d 2 ich / d v 2 ist negativ . Wo kommt das her?
Das VI-Diagramm ist einfach falsch. Es ist ein "künstlerischer Eindruck", wie das Ändern der Skala von positivem (mA) zu negativem (uA) Strom aussehen würde. Und der Künstler hat es sehr falsch verstanden. Es gibt keine Wendepunkte in der Nähe des Ursprungs. Die Kurve ist im Grunde eine Exponentialkurve, die so übersetzt wird, dass sie durch den Ursprung geht. Wenn Sie es richtig skalieren, scheint es eine Diskontinuität in der Nähe des Ursprungs zu haben. Der Künstler wollte eine hübsche Kurve machen und verband die beiden Seiten mit der wohl schönsten gewundenen Linie. Ergebnis: ein falscher Graph, der propagiert wird, um Schüler in der ganzen Galaxie zu verwirren.
@SredniVashtar, du hast Recht und ja, ich habe dieses Bild wegen des "hübschen" Faktors ausgewählt. Mir ging es eigentlich nur darum, die Merkmale am Schwellenpunkt hervorzuheben. Mein Fehler, ich habe es ersetzt.
@Trevor, wow, das ging schnell! :-) Es wäre gut, den Autor der Website, von der sie stammt, zu kontaktieren, um darauf hinzuweisen, dass sie falsch ist. Ich scheine den Stil zu erkennen, aber ich kann mich nicht erinnern, um welche Tutorial-Site es sich handelt ...
@SredniVashtar, ja würde es ... wenn ich es wieder finden könnte ...
Gefunden: electronics-tutorials.ws/diode/diode_3.html , ich habe auch versucht, den Autor über electronics-tutorials.ws/contact zu kontaktieren , aber alles, was ich bekam, war "Ihre Nachricht konnte nicht gesendet werden. Bitte versuchen Sie es später oder kontaktieren Sie den Administrator per eine andere Methode." Ich hasse es, meine Zeit so zu verschwenden.
@SredniVashtar, ja, leider ist das Web voller irreführender Informationen. Wenn Sie sie bei der ersten Veröffentlichung finden, haben Sie eine Chance, sie zu korrigieren, andernfalls, je älter sie ist, desto geringer ist Ihre Chance ... So ähnlich wie vermisste Personen ...

Warum bleibt die Spannung an der Diode bei 0,7 V?

Das tut es nicht. Meistens reichen konstante 0,7 V aus, genauso wie eine flache Erde für den Stadtverkehr ausreicht.

Dioden haben eine logarithmische Beziehung zwischen dem Strom durch die Diode und der Spannung an der Diode. Ein Stromanstieg von 10:1 verursacht einen Anstieg von 0,058 Volt an der Diode. (Die 0,058 V hängen von mehreren Parametern ab, aber Sie können diese Zahl in vielen On-Chip-Silizium-Bandlücken-Spannungsreferenzen sehen).

Was ist, wenn sich der Strom um 1.000:1 ändert, entweder zunimmt oder abnimmt? Sie sollten mit einer Änderung von (mindestens) 3 * 0,058 Volt in V Diode rechnen .

Was ist, wenn sich der Strom um 10.000:1 ändert? Erwarten Sie mindestens 4 * 0,058 Volt.

Bei hohen Strömen (1 mA oder höher) beginnt der Volumenwiderstand des Siliziums das logarithmische Verhalten zu beeinflussen, und Sie erhalten eher eine geradlinige Beziehung zwischen I Diode und V Diode .

Die Standardgleichung für dieses Verhalten beinhaltet also "e", 2,718

ich d ich Ö d e = ich s ∗ [ e − ( q ∗ v d ich Ö d e / K ∗ T ∗ n ) − 1 ]
und bei Raumtemperatur und idealen Dotierungsprofilen (n=1)
ich d ich Ö d e = ich s ∗ [ e − v d ich Ö d e / 0,026 − 1 ]

Dasselbe Verhalten gilt übrigens auch für Bipolartransistor-Emitter-Basis-Dioden. Unter der Annahme von 0,60000000 Volt bei 1 mA, bei 1 µA, erwarten Sie 3 * 0,058 V = 0,174 V weniger. Erwarten Sie bei 1 Nanoampere 6 * 0,058 V = 0,348 V weniger. Erwarten Sie bei 1 Picoampere 9 * 0,058 Volt = 0,522 Volt weniger (am Ende nur 78 Millivolt über der Diode); Vielleicht ist dieses reine Log-Verhalten kein genaues Werkzeug mehr, nahe null Volt V Diode .

Hier ist ein Vbe-Diagramm über 3 Dekaden von Ic; wir erwarten mindestens 3*0,058 Volt oder 0,174 Volt; Realität für diesen Bipolartransistor ist 0,23 Volt.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wie die anderen Antworten erklärt haben, ist die Spannung nicht konstant bei 0,7 V, aber basierend auf dem Hinweis auf das Barrierenpotential in Ihrer Frage ist Ihnen dies vermutlich klar und Sie fragen mehr nach der Halbleiterphysik, die dahinter steckt, warum dies geschieht.

Der Grund dafür ist, dass der Verarmungsbereich einer Diode (bei angelegter Nullspannung) das Barrierenpotential von etwa 0,7 V erzeugt (unter der Annahme einer typischen Siliziumdiode). Wenn Sie eine Durchlassspannung anlegen, wird der Verarmungsbereich kleiner. Bei niedriger Spannung begrenzt der größere Verarmungsbereich den meisten Strom, und wenn die Spannung ansteigt, führt der reduzierte Verarmungsbereich zu einer Verringerung des Widerstands (und daher zu einem erhöhten Strom). Dies setzt sich fort, bis er sich ~0,7 V nähert, wo der Verarmungsbereich sowie der Widerstand sehr klein sind. Dies verursacht die exponentielle VI-Beziehung.

Dieser Artikel enthält einige gute Diagramme und Erklärungen, ebenso wie die Wiki-Seite .

Der Punkt ist, dass Sie "keine Spannung anlegen können, die höher als dieses Barrierenpotential ist", die Diode lässt Sie nicht zu.

Das heißt, die Grenzimpedanz der Diode im Leitungsmodus ist geringer als die Quellenimpedanz Ihrer Spannungsversorgung: Ihre Spannungsquelle kann nicht mehr als „0,7 V“ über eine 0,7-V-Diode treiben, sodass „die Spannung über der Diode bleibt [s] bei 0,7 V".

Natürlich ist die Grenzimpedanz einer Diode im Leitungsmodus nicht genau Null, sodass die Spannung etwas ansteigen wird, wenn Ihre Spannungsversorgung versucht, mehr als Null Strom zu liefern. Und die Grenzimpedanz Ihrer Spannungsversorgung ist möglicherweise sehr niedrig, vergleichbar mit einer Diode, sodass die Diodenspannung möglicherweise ziemlich hoch angehoben werden kann, bevor die Diode ausfällt. Das sind die Effekte zweiter Ordnung. Das einfache Modell einer Diode, die über 0,7 V leitet, ist ein Gerät, das die Spannung begrenzt, indem es einen unendlichen Strom akzeptiert.

Sobald die Diode mit ausreichender Vorspannung eingeschaltet ist, wirkt sie als Spannungsquelle von 0,7 oder 0,6 (je nach Material) mit einem kleinen Vorwiderstand.

Wenn wir also die Eingangsspannung erhöhen, steigt auch der Strom über den kleinen Widerstand. Wenn also die Eingangsspannung ansteigt, gibt es eine Variation über den Ausgang, der über die Diode genommen wird.

Normalerweise wird eine Diode als ideal angesehen, daher gibt es keinen Widerstand in Reihe. Die o / p-Spannung über der Diode bleibt also konstant.

Nein, es wird zunehmen. Aber es wird konstant bleiben, wenn eine ideale Natur angenommen wird. Dieses Konzept wird allgemein in höheren Schulen gelehrt und hat keinen praktischen Nutzen.

Können Sie Beweise für Ihre Behauptung vorlegen, dass die Annahme einer konstanten Durchlassspannung "ohne praktischen Nutzen" ist? Und es reicht nicht aus, ein Beispiel dafür zu geben, wo diese Annahme nicht nützlich ist, Sie müssen zeigen, dass diese Annahme in keiner Situation von praktischem Nutzen ist. Oder ziehe deine letzte Aussage zurück.
In Wirklichkeit ist der $VI$-Graph der Diode (Forward Biased) ein ansteigender Graph, der wie eine Exponentialfunktion aussieht. Dies liegt daran, dass, wenn die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, das Barrierenpotential abnimmt und der Driftstrom ansteigt. Dies geschieht jedoch nicht sofort. Dieser Aufbau dauert einige Zeit. Aber wenn wir die ideale Natur annehmen (und ideal bedeutet perfekt, richtig?), erhalten wir eine gerade Linie mit einer unendlichen (undefinierten) Steigung. (Denken Sie daran, dass in Wirklichkeit nichts perfekt ist).
(BEARBEITEN): Eine ideale Diode ist ein perfekter Leiter, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, und wirkt als perfekter Isolator, wenn sie in Sperrrichtung vorgespannt ist
Warum ist die Durchlassspannung der Diode konstant?
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