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Diode

Dieser Artikel erläutert Halbleiterdioden; zu der Ausführung als Röhre siehe Röhrendiode.

Die Diode (griech.: di zwei, doppelt; hodos Weg) ist ein Halbleiterbauelement mit zwei Anschlüssen, das eine nichtlineare Kennlinie im Strom-Spannungs-Diagramm besitzt. Meist ist diese Kennlinie bei positiven und negativen Spannungen zusätzlich auch stark asymmetrisch. Solche Dioden gestatten den Stromfluss oft nur in einer Richtung – bei entgegengesetzt an ihren Anschlüssen gepolter Spannung verhalten sie sich unterhalb der Durchbruchspannung wie ein Isolator. Dadurch kommt es zur Gleichrichtung von Wechselspannung, da der Strom die Diode nur in einer Richtung passieren kann. Das mechanische Analogon ist ein Rückschlagventil, dieses erlaubt statt eines Elektronenstromes einen Medienstrom in nur eine Richtung.

Wegen der Lichtempfindlichkeit sind Dioden in lichtdichten Gehäusen untergebracht, sofern die Lichtempfindlichkeit nicht ausgenutzt werden soll, wie bei Photodioden.

Der Begriff Diode wird im engeren Sinne nur für mit einem p-n-Übergang arbeitende Gleichrichter-Dioden verwendet. Die veralteten Selen-Gleichrichter sowie auch Solarzellen werden jedoch nicht als Dioden bezeichnet, obwohl sie vom Aufbau her ähnlich sind. Auch bei den Elektronenröhren gibt es Dioden. Diese werden genauso wie die Halbleiterdioden zum Gleichrichten von Strömen verwendet, sind aber heute selten.

Inhaltsverzeichnis

Aufbau einer Halbleiterdiode

Die Grundlage der Halbleiter-Diode ist entweder ein p-n-dotierter Halbleiterkristall (meist aus Silizium, aber auch Germanium, siehe Germaniumdiode, Galliumarsenid oder neuerdings auch Siliziumkarbid) oder ein Metall-Halbleiter-Übergang (siehe Schottkydiode).

Die Leitfähigkeit eines solchen Übergangs hängt von der Polung der Betriebsspannung an Anode (p-dotiert) und Kathode (n-dotiert) beziehungsweise von der Stromflussrichtung ab. Der p-n-Übergang (graue Fläche) ist eine Zone, die frei von beweglichen Ladungsträgern ist, da die positiven Ladungen des p-Kristalls sich hier mit den negativen Ladungen des n-Kristalls ausgeglichen (rekombiniert) haben. Da sich die ebenfalls vorhandenen ortsfesten Ladungen nicht rekombinieren können, herrscht innerhalb der Zone ein elektrisches Feld, welches einen Ladungstransport unterbindet. Diese nennt man Antidiffusionsspannung. Dieses Feld kann durch eine von außen angelegte Spannung – je nach Polung – kompensiert werden, dann wird der p-n-Übergang leitfähig, oder es kann verstärkt werden, dann bleibt er gesperrt.

Bei der Schottky-Diode dagegen wird ein Metall-Halbleiter-Kontakt verwendet.

Mechanisches Ersatzmodell der Diode

Die Funktion einer Gleichrichterdiode im Normalbetrieb kann man sich am einfachsten als Rückschlagventil vorstellen. Wenn der Druck (Spannung) auf dieses Ventil (Diode) in Sperrrichtung erfolgt, so wird der Stromfluss blockiert. In die Gegenrichtung muss der Druck groß genug werden, um den Federdruck des Ventils (Flussspannung) überwinden zu können. Danach öffnet das Ventil und der Strom kann fließen. Die Spannung, welche in diesem mechanischen Modell zum Überwinden des Federdruckes notwendig ist, entspricht bei einer Diode der so genannten Vorwärtsspannung oder auch Flussspannung. Dabei muss zunächst eine bestimmte Spannung in Flussrichtung der Diode anliegen, damit die Diode in den leitenden Zustand übergeht. Bei gewöhnlichen Silizium-Dioden liegt diese notwendige Vorwärtsspannung bei ca. 0,7 V.

Dieses Modell entspricht der Shockley-Formel (s. u. bei Ideale Diode), wodurch diese Formel u. a. auch zur näherungsweisen Berechnung von Ventilen geeignet ist.

Kennzeichnungen von Dioden

Dioden tragen meistens neben der Typenbezeichnung noch einen Ring zur Kennzeichnung des Kathodenanschlusses.

Siehe dazu die Abbildung rechts:

Manchmal ist auch direkt ein Dioden-Schaltungssymbol in entsprechender Richtung auf das Gehäuse gedruckt.

Die auf Dioden aufgedruckte Typbezeichnung enthält oft Parameter wie die Sperrspannung:

Kenngrößen und Formeln

Halbleiterdioden (Signaldioden, Gleichrichterdioden, aber auch Laser-, Schutz- und Leuchtdioden) haben bestimmte Kenngrößen zur Spezifikation. Sie sind in den Datenblättern genannt und sind wichtig für die Anwendung und die Bemessung deren Beschaltung mit anderen Bauteilen.

Die wichtigsten Kenngrößen und Grenzwerte von Dioden sind:

Für die Kenngrößen werden in den Formeln weiter unten folgende Formelzeichen verwendet:

Zusätzlich sind die folgenden Naturkonstanten wichtig:

Im Folgenden werden die wichtigsten Formeln zur Beschreibung der Funktion von Dioden beschrieben.

Statisches Verhalten

Ideale Diode

Die Shockley-Gleichung (benannt nach William Bradford Shockley) beschreibt die Kennlinie der idealen Diode. Sie gilt bei UD ≥ 0, wird gelegentlich aber auch zur Beschreibung für die Kennlinie bei UD < 0 (Durchbruchsbereich) verwendet.

Wenn man die resultierende Kennlinie betrachtet, nimmt der Strom durch die Diode ID exponentiell zur angelegten Spannung zu. Ab einer Spannung von etwa 0,4 V beginnt bei Si-Dioden der Strom merklich anzusteigen. Der eigentliche Betriebsbereich liegt hierbei bei einer Spannung UF (forward Voltage) von etwa 0,6 V bis 0,7 V. Bei Schottky- und Germanium-Dioden beginnt ein nennenswerter Strom bereits bei etwa 0,2 V; der Betriebsbereich liegt bei etwa 0,3 V bis 0,4 V. Wenn man eine negative Spannung an eine Si-Diode anlegt, beginnt ab etwa −50 V bis −1000 V die Diode ebenfalls leitend zu werden; eine Schottky-Diode bei etwa −10 V bis −200 V. Man spricht hierbei von der Durchbruchsspannung UBR der Diode, welche mit umgekehrten Vorzeichen angegeben wird. Durch spezielle Dotierungen erreicht man auch Durchbrüche unter −5 V. Dieser Zener-Effekt wird für Z-Dioden verwendet.

Für einfache Berechnungen kann die Diode mit einem in Serie geschalteten Bahnwiderstand RB als Schalter angesehen werden, welcher ab einer Spannung von 0,4 V schließt.

Der Strom durch die Diode setzt sich hierbei aus dem Hochstromeffekt ID,D, dem Leckstrom ID,R und dem Durchbruchsstrom IDBR zusammen:

Differentieller Widerstand

Der differenzielle Widerstand ergibt sich aus der Tangente durch den Arbeitspunkt der Diode. Durch die Verwendung einer Geraden anstatt der tatsächlichen Exponentialfunktion werden die benötigten Rechenschritte wesentlich vereinfacht.


Arbeitspunkt: A

Bei großen Strömen wird rD sehr klein, und man muss zusätzlich den Bahnwiderstand RB berücksichtigen, welcher mit rD in Serie geschaltet wird.

Diese Ersatzschaltung eignet sich nur für Frequenzen von 0–10 kHz. Bei höheren Frequenzen, wie sie auch beim Ein- und Ausschalten auftreten, muss man zusätzlich die kapazitiven Eigenschaften der Diode berücksichtigen.

Temperaturabhängigkeit

Die Diodenkennlinie variiert stark mit der Temperatur. Aus der Formel für die ideale Diode ergibt sich unter Berücksichtigung der Temperatur die Formel:

mit:
mit

Dabei ist die Boltzmannkonstante, die Elementarladung und die Bandabstandsspannung (gap voltage) von Silizium.

Diese Spannung kann in der Praxis tatsächlich für viele Überschlagsrechnungen als Wert der Flussspannung von Siliziumdioden und P-N-Übergängen angesetzt werden. Sie dient (oft temperaturkompensiert) zur Erzeugung von Referenzspannungen.

Zusätzlich muss man auch die Temperaturabhängigkeit der Spannung berücksichtigen:

Dieser Wert ist hinreichend konstant bei Temperaturänderung, um damit anhand der Flussspannung Temperaturmessungen vorzunehmen.

Diffusionsstrom

Der Diffusionsstrom tritt im mittleren Durchlassbereich auf, wo er über die anderen Effekte dominiert. Die Formel ergibt sich aus der idealen Diode mit:

Bei Schottky-Dioden kann man mit derselben Formel den Emissionsstrom beschreiben.

Hochstromeffekt

Der Hochstromeffekt bewirkt eine Zunahme von n im Bereich der mittleren Ströme auf 2n bei IK Hierbei beschreibt der Kniestrom IK die Grenze zum Hochstrombereich.

Leckstrom (Rekombinationsstrom)

Der Leckstrom (Sperrstrom) ergibt sich aus:


mit
ISR - Leck-Sättigungssperrstrom
- Emissionskoeffizient in Sperrrichtung

- Diffusionsspannung
- Kapazitätskoeffizient

Der Sperrstrom ist stark spannungs- und temperaturabhängig und hängt von der Herstellungstechnologie sowie Reinheit und Störstellenarmut ab.

Durchbruch

UD < − UBR. Dieser Effekt wird vor allem bei Z-Dioden angewendet, wobei UBR durch geeignete Dotierung auch auf unter 5V gesenkt werden kann.

.

Hierbei ist die Durchbruchsspannung, IR der Durchbruchskniestrom und der Durchbruch-Emissionskoeffizient.

Bahnwiderstand

Der Bahnwiderstand RB wird durch den elektrischen Widerstand des Halbleitermaterials sowie dem Widerstand des Anschlusses am Halbleiter verursacht. Der Bahnwiderstand wird durch die folgende Formel berücksichtigt:

Dynamisches Verhalten

Für Wechselstromanwendungen muss man auch die Kapazitäten der Diode berücksichtigen, welche vor allem bei hohen Frequenzen hervortreten. Hierbei unterscheidet man zwischen der Sperrschichtkapazität und der Diffusionskapazität.

Sperrschichtkapazität

Der p-n-Übergang einer Diode hat eine Kapazität, die von der Breite der Raumladungszone abhängig ist. Wird eine Diode in Sperrrichtung betrieben, so entsteht am p-n-Übergang eine Ladungsträgerverarmungszone, an der sich auch ein elektrisches Feld, bedingt durch die fehlenden Ladungsträger, aufbaut. Mit steigender Spannung vergrößert sich die Breite der ladungsfreien Zone, wodurch die Kapazität abnimmt.

Die Null-Kapazität ist direkt proportional zur Fläche des pn-Überganges. Die Diffusionsspannung Udiff ist ebenfalls von der Dotierung abhängig. Mit steigender Dotierung nehmen CS0 und Udiff zu. Die Diffusionsspannung Udiff liegt üblicherweise im Bereich zwischen 0,5 und 1 Volt.

Der Kapazitätskoeffizient ms stellt das Dotierungsprofil des pn-Überganges dar. Direkte Übergänge von der p- in die n-Schichten führen zu einem Wert von , während Übergänge mit linearem Verlauf von der p- in die n-Schichten zu einem Wert von führen.

Die obenstehende Formel für CS ist nur bis zu einem Wert von etwa gültig. Die Formel kann also — wie in der Grafik punktiert dargestellt — den tatsächlichen Verlauf von CS in diesem Bereich nicht wiedergeben. Über diesem Wert nimmt CS nur noch schwach zu. Für einen Wert von wird der weitere Verlauf von CS durch die Tangente im Punkt ersetzt, welches dem tatsächlichen Verlauf sehr nahe kommt:

Durch Einsetzen erhält man die Gleichung

Hierbei ist .

siehe auch: Kapazitätsdiode

Diffusionskapazität

Bei Anlegen einer Durchlassspannung kommt es in den Bahngebieten (also außerhalb der Raumladungszone) zu Minoritätsträgerüberschüssen, die die so genannten Diffusionsladungen bilden. Diese räumlich getrennten Ladungen müssen bei Änderungen der Durchlassspannung auf- bzw. abgebaut werden und beeinflussen somit das dynamische Verhalten der Diode. Diese Beeinflussung lässt sich durch die Diffusionskapazität beschreiben.

IDD wird als Diffusionsstrom bezeichnet, und τT ist die so genannte Transitzeit:

Näherungsweise kann man auch annehmen, dass für den Diffusionsbereich und damit auch gilt. Daraus ergibt sich die Näherungsgleichung:

Kleinsignalmodell

Das Kleinsignalmodell ist eine starke Vereinfachung und wird in der Dimensionierung von elektronischen Schaltungen verwendet, wenn keine hohe Genauigkeit des Ergebnisses notwendig ist. Hierbei wird die einfache Ersatzschaltung der Diode als Schalter betrachtet.

Statisches Kleinsignalmodell

Das statische Kleinsignalmodell wird zur Dimensionierung der Arbeitspunkteinstellung von einfachen Schaltungen herangezogen.

Dynamisches Kleinsignalmodell

Das dynamische Kleinsignalmodell berücksichtigt zusätzlich zum statischen Kleinsignalmodell auch die Kapazität der Diode. Damit kann man auch einfache (Niederfrequenz-)Schaltungen mit Kapazitätsdioden dimensionieren.

Beschriftung von Dioden

Dioden können nach zwei Standards gekennzeichnet sein. Gemäß JEDEC-Norm oder gemäß Pro Electron, jeweils mit einem Farbcode oder einer Beschriftung. Bei der Bezeichnung mit Farbcode ist der erste Ring breiter aufgedruckt und bezeichnet gleichzeitig den Anschluss der Kathode. Bei der Beschriftung wird die Kathode mit einem einfachen Ring gekennzeichnet.

JEDEC

Die Beschriftung für Dioden gemäß JEDEC setzt sich aus einer Zahl und einem Buchstaben sowie einer weiteren 4-stelligen Zahl zusammen (z. B. „1N4148“). Die 4-stellige Zahl kann hierbei in der folgenden Farbcodierung angegeben sein:

Farbe schwarz braun rot orange gelb grün blau violett grau weiß
Wert 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Pro Electron

Die Beschriftung der Dioden nach Pro Electron setzt sich aus zwei bis drei Buchstaben und einer zwei stelligen Zahl zusammen. Diese Buchstaben-Ziffernfolge kann alternativ als Farbcode angegeben werden:

Farbe 1. Ring 2. Ring 3. Ring 4. Ring
schwarz   X 0 0
braun AA   1 1
rot BA   2 2
orange   S 3 3
gelb   T 4 4
grün   V 5 5
blau   W 6 6
violett     7 7
grau   Y 8 8
weiß   Z 9 9

Diodentypen

Neben der einfachen Diode gibt es eine Reihe von speziellen Halbleiterdioden für unterschiedliche Einsatzzwecke:

Gleichrichtung

Für die Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung können Leistungsgleichrichter (p+sn+-Diode) oder Kupferoxydul-Gleichrichter verwendet werden. Des Weiteren eignen sich Selen-Gleichrichter und Ionen-Gleichrichter.

Spannungs- und Stromstabilisierung

Für die Spannungs- und Stromstabilisierung kommen in der Elektrotechnik im Wesentlichen die Zener-Diode (auch Z-Diode genannt) sowie die Stromregeldiode zum Einsatz. Die Stromregeldiode ist eigentlich eine Strombegrenzerdiode und daher keine Diode im eigentlichen Sinne.

Optik

Für optische Zwecke sind die Laserdiode und die Lawinenphotodiode gedacht. Zudem verwendet man häufig die Leuchtdiode (kurz LED) und die Fotodiode.

Infrarot

Hauptartikel: Infrarotdiode

Als Infrarotquelle werden unter anderem Infrarotdioden verwendet.

Kapazitive Dioden

Zu den kapazitiven Dioden zählt man die p-i-n Diode, die Kapazitätsdiode und den Varaktor (variable Reaktance).

Gesteuerte Gleichrichter und verwandte Bauelemente

In der Gruppe der gesteuerten Gleichrichter befinden sich die Vierschichtdiode und der Thyristor. Des Weiteren werden die Diac (Zweirichtungsdiode) sowie der Unijunction-Transistor hinzugerechnet.

Andere

Neben den oben genannten Diodentypen gibt es noch eine ganze Reihe von weiteren Typen, die sich keiner bestimmten Kategorie zuordnen lassen oder seltener eingesetzt werden. So verwendet man in der Elektrotechnik auch die Avalanchediode, die Feldeffektdiode (Curristor) sowie die Gunndiode. Neben der IMPATT-Diode oder Lawinenlaufzeitdiode (kurz LLD) sind auch die Schalterdiode, die Schottky-Diode und der Sirutor gängige Diodentypen. Des Weiteren kommen die Step-Recovery-Diode (auch Speicherschaltdiode genannt), die Suppressordiode, die Tunneldiode und die Verpolungsschutz-Diode zur Anwendung.

Literatur

Siehe auch