Diody półprzewodnikowe to elementy elektroniczne, które przewodzą prąd niesymetrycznie, tzn. w jednym kierunku łatwiej niż w przeciwnym. Podstawowym elementem diody jest złącze p-n utworzone przez 2 warstwy półprzewodnika o różnych własnościach. Dodanie odpowiedniej domieszki do półprzewodnika powoduje, że w zależności od rodzaju domieszki, w półprzewodniku powstaje stosunkowo duża liczba swobodnych elektronów, które reagują na przyłożone zewnętrzne pole elektryczne, albo tzw. dziur. Przez „dziury” rozumie się tu miejsca zwolnione przez elektron, które mogą zostać zapełnione przez inne elektrony. Obserwuje się przy tym „ruch” dziury w kierunku przeciwnym do ruchu elektronów przeskakujących między „dziurami”. Jeśli w półprzewodniku przeważają swobodne elektrony, nazywany jest półprzewodnikiem typu n-negative, jeśli przeważają w nim swobodne dziury, nazywany jest półprzewodnikiem typu p-positive. W złączu p-n, warstwa półprzewodnika typu p połączona jest z warstwą półprzewodnika typu n. Jeśli nie przyłożymy pola zewnętrznego, część elektronów z półprzewodnika typu n przechodzi do półprzewodnika typu p, dziury zaś przechodzą w kierunku odwrotnym. W efekcie w pobliżu złącza w półprzewodniku p powstaje warstwa z nadmiarem elektronów, a w półprzewodniku n warstwa z nadmiarem dziur. Oba te obszary powstrzymują dalsze przechodzenie elektronów przez granicę złącza, dlatego nazywane są „warstwą zaporową”. Po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego warstwa ta może się zwężać lub rozszerzać. Jeśli półprzewodnik typu n podłączony zostanie do bieguna dodatniego źródła, a półprzewodnik typu p do ujemnego, to warstwa ulegnie poszerzeniu, ponieważ zarówno elektrony jak i dziury przemieszczą się w kierunkach przeciwnych do miejsca styku złącza. W efekcie opór półprzewodnika rośnie. Przy przeciwnym podłączeniu (półprzewodnik typu n do bieguna ujemnego, a półprzewodnik typu p do dodatniego) szerokość warstwy zaporowej ulega zmniejszeniu, stanowi więc ona mały (choć niezerowy) opór i przepuszcza duży prąd. Przemieszczające się w sieci elektrony zderzają się z atomami, tracąc przy tym część swojej energii na sposób ciepła. To również jest źródłem dodatkowego oporu diody.

Zależność natężenia prądu płynącego przez diodę od napięcia nie jest funkcją liniową, dlatego wartość oporu diody nie jest stałą wartością, ale zależy od przyłożonego napięcia. Opór wyznaczyć można dokładnie posługując się rachunkiem różniczkowym, albo w przybliżony sposób za pomocą uproszczonych modeli. Najprostszym modelem, wspomnianym w pytaniu, jest założenie, że opór diody jest nieskończony dla wartości napięcia poniżej tzw. napięcia przewodzenia diody V_F, oraz zerowy przy napięciu przekraczającym V_F. Odpowiada to uproszczonej charakterystyce podanej na Rys. 1 (czerwona linia).  Mały wzrost napięcia, tak by przekroczyć wartość V_F, spowoduje powstanie bardzo dużego prądu, przy którym w półprzewodniku wydzielać się będzie znaczna ilość ciepła, a dioda zostanie zniszczona.

Rys1_charakterystyka_diody

Rys1.: Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa diody (linia czarna, przerywana) oraz jej uproszczony model (linia czerwona).

Aby zmniejszyć natężenie prądu płynącego przez diodę, łączy się ją szeregowo z opornikiem. Pozostając przy prostym modelu, gdzie pomija się opór diody, przyjmijmy, że V_F=2V przy natężeniu I_F=10mA oraz że przyłożone napięcie zewnętrzne wynosi U=12V. Wówczas opór rezystora wyznacza się ze wzoru R=(U-V_F)/I_F= 1,0kΩ.

W rzeczywistości natężenie prądu płynącego przez diodę rośnie wraz ze wzrostem napięcia eksponencjalnie w pewnym zakresie napięć, a potem wolniej ze względu na rosnący wpływ oporu diody (patrz np. tu). Nie oznacza to jednak, że można zrezygnować ze stosowania dodatkowego rezystora. Stosując inny, uproszczony model można przybliżyć charakterystykę prądowo-napięciową diody funkcją liniową, dla wartości napięcia przekraczających V_F (patrz Rys. 2). W takim przypadku rzeczywistą diodę zastępujemy układem diody o zerowej rezystancji oraz połączonego z nią szeregowo opornika. Wartość jego oporu odczytać można wyznaczając nachylenie prostej na wykresie zależności natężenia od napięcia. W przykładzie podanym na rysunku jest to tylko 15Ω, znacznie mniej niż wyznaczony wcześniej opór dodatkowego rezystora R=1kΩ. W takim wypadku przyłożenie napięcia zewnętrznego U=12V bez dodatkowego opornika skutkowałoby dużym wzrostem natężenia prądu i możliwym zniszczeniem diody.

Rys2_charakterystyka_diody

Rys2:  Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa diody (linia czarna, przerywana) oraz jej uproszczony model liniowy (linia czerwona).