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Fachbegriffe aus der Elektrotechnik erklärt
Die Freude an Diode – oder was versteht man unter einer Diode?

Aus dem Alltag sind sie nicht mehr wegzudenken, als Leuchtdioden erhellen sie den Nachthimmel stärker als je zuvor – Was sind Dioden?

(Bild: Ron Heidelberg/stock.adobe.com)

Diode

Halbleiterbauelement mit zwei Elektroden und stromrichtungsabhängiger elektrischer Leitfähigkeit. Schaltzeichen: Der stilisierte Pfeil symbolisiert die Durchlassrichtung einer Diode.

Aufbau, Wirkungsweise

Dioden bestehen aus einem Halbleiterkristall, vorzugsweise Silizium, dessen eine Hälfte p-dotiert (Anode) und deren andere Hälfte n-dotiert (Katode) ist. Im n-Gebiet befinden sich überwiegend Elektronen (negative Ladungsträger) und im p-Gebiet überwiegend Defektelektronen (Elektronenmangel, positive Löcher). Die p- und n-dotierten Halbleiterschichten grenzen so aneinander, dass ein vollkommener elektrischer Kontakt (pn-Übergang) besteht. In der Grenzschicht rekombinieren die Elektronen mit den Defektelektronen und umgekehrt. Eine Halbleiterdiode ist somit quasi ein technisch umgesetzter pn-Übergang, deren elektrischer Widerstand in hohem Maße von der jeweiligen Polarität der angelegten Spannung und der Temperatur abhängt. Das temperaturabhängige Widerstandsverhalten wird z. B. bei Thermistoren ausgenutzt.

Sperrrichtung. Liegen der Pluspol der äußeren Spannung an der Katode (n-dotierte Seite) und der Minuspol an der Anode (p-dotierte Seite), wandern die elektrischen Ladungsträger aus der Grenzschicht hinaus, s. Bild 1

a). Der Pluspol entzieht der n-Schicht Elektronen und der Minuspol „drückt“ Elektronen in die positiven Löcher, die in Rekombinationssprüngen zur Raumladungszone wandern. Mit zunehmender Verbreiterung der Raumladungszone wird diese für Ladungsträger und Defektelektronen (Löcher) immer undurchlässiger. Die Diode arbeitet in Sperrrichtung; im Stromkreis fließt nur noch ein sehr kleiner thermisch bedingter Reststrom (Sperrstrom).

Beim Erreichen einer bestimmten Sperrspannung UR und bei deren geringfügiger Erhöhung nimmt der Sperrstrom IR (Index R bedeutet rückwärts, engl. reverse) lawinenartig zu, s. Bild 2. Der Durchbruch erfolgt bei Siliziumdioden etwa bei 100 V (Durchbruchspannung) und bei Germaniumdioden schon bei einer kleineren Spannung. Dabei kann der Sperrstrom das Silizium- bzw. Germaniumkristall so stark erwärmen, dass der pn-Übergang zerstört wird.

Durchlassrichtung. Liegen der Pluspol der äußeren Spannung an der p-dotierten Seite (Anode) und der Minuspol an der n-dotierten Seite (Katode), werden die Elektronen im n-Gebiet und die positiven Löcher im p-Gebiet von den Polen der Stromquelle abgestoßen. Die Raumladungszone baut sich ab und die elektrischen Ladungsträger wandern in die Grenzschicht hinein, s. Bild 1

b). Das p-Gebiet wird mit Elektronen überschwemmt. Ständig liefert der Minuspol Elektronen nach, die über das Halbleitermaterial zum Pluspol gelangen. Der pn-Übergang ist leitend geworden; die Diode arbeitet in Durchlassrichtung. Die äußere Spannung (Schleusenspannung) muss dabei größer sein als die Diffusionsspannung zwischen dem p- und n-Gebiet, um die bei der Herstellung durch Diffusion entstandene Raumladungszone abbauen zu können. Bild 2 zeigt den nicht linearen Kennlinienverlauf einer Diode. Am Anfang ist der Stromfluss trotz zunehmender Spannung UF klein (Index F bedeutet vorwärts, engl. forward). Erst ab einer bestimmten Spannung, der sog. Schleusenspannung, erfolgt schon bei einer vergleichsweise geringen Spannungserhöhung ein steiler, exponentiell verlaufender Stromanstieg. Die Diode ist nunmehr leitend. Die große Stromzunahme bei geringer Spannungserhöhung ist Ausdruck eines sehr kleinen elektrischen Widerstands der Diode im Durchlassbereich oberhalb der Schleusenspannung. Der Stromfluss ist durch einen Widerstand im äußeren Stromkreis zu begrenzen, damit es nicht zur Zerstörung des pn-Übergangs kommt.

Anwendung

Dioden dienen hauptsächlich zur Gleichrichtung von ein- und mehrphasigem Wechselstrom (Gleichrichterdiode) sowie als elektronischer Schalter (Schaltdiode). Ihr Anwendungsgebiet ist relativ groß. Es reicht von den winzig kleinen Leuchtdioden über die lichtempfindlichen Fotodioden bis hin zu Leistungsdioden (Stromrichterventile) für Ströme von mehreren hundert Ampère. In letzterem Fall haben die Dioden Kühlkörper zur Ableitung der Verlustwärme. Auf Temperaturerhöhungen reagieren Halbleiterdioden mit starker Zunahme des Sperrstroms und Verringerung der Schleusenspannung. Eine Temperaturerhöhung um 10 K hat etwa eine Verdoppelung des Sperrstroms zur Folge. Die Schleusenspannung verringert sich bei einer Temperaturerhöhung um rund 2 mV/K. Halbleiterdioden können Stromkreise nicht galvanisch trennen. Folglich sind diese Bauelemente zum Freischalten von Anlagenteilen im Sinne von DIN VDE 0105-100 ungeeignet.

Autor: R. Müller

Dieser Beitrag ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

Bild 1: pn-Übergang einer Diode - a) Sperrrichtung; b) Durchlassrichtung K Katode; A Anode (Bild: EP/R. Müller)

Bild 2: Durchlass- und Sperrkennlinie einer Diode UF Durchlassspannung; IF Durchlassstrom; UR Sperrspannung; IR Sperrstrom (Bild: EP/R. Müller)

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