Diode

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

Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement, das Strom in einer Richtung fast ungehindert passieren lässt und in der anderen Richtung fast isoliert. Daher wird von Durchlassrichtung und Sperrrichtung gesprochen. Bei Wechselstrom lässt sich aufgrund dieser Eigenschaft mit Dioden eine Gleichrichtung, also eine Umwandlung in Gleichstrom erreichen.

Schaltzeichen einer Diode und Abbildungen üblicher Gehäuse mit Markierung der Kathode. Kennzeichnung der positiven (+) und negativen (−) Seite bei Beschaltung in Durchlassrichtung.
Das bewirkt eine Diode

Entdeckt wurde ein derartiges Verhalten 1874 von Ferdinand Braun an Punktkontakten auf Bleisulfid (Galenit), (ähnl. Bild Germanium-Spitzendiode). Bereits ein Jahr zuvor wurde der Edison-Richardson-Effekt entdeckt, der in Röhrendioden zur Anwendung kam.

Der Begriff Diode wird heute meist nur für Halbleiterdioden verwendet, die mit einem p-n-Übergang oder einem gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Übergang (Schottky-Kontakt) arbeiten. Umgangssprachlich bezieht sich Diode sogar nur auf Siliziumdioden mit p-n-Übergang, während andere Varianten durch Namenszusätze gekennzeichnet werden (Beispiel: Germaniumdiode, Röhrendiode).

Noch Mitte des 20. Jahrhunderts sprach man weithin von Ventilzellen statt Dioden.

Neben dem Effekt der Gleichrichtung zeigt ein Halbleiterübergang weitere nutzbare Eigenschaften, die z. B. in Zener-, Photo-, Leuchtdioden und Halbleiterdetektoren für Strahlung ausgenutzt werden.

(Gleichrichter-)Dioden in verschiedenen Bauformen
typische Germanium-Spitzendiode (Chip oben, Baujahr ca. 1965)

Aufbau und Physik einer Halbleiterdiode[Bearbeiten]

Halbierte 3 A Schottkydiode (1N5822). Die Anschlussdrähte sind auf den Siliziumkristall gepresst, um gute Wärmeableitung zu ermöglichen

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

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 positive Ladungsträger (sog. Defektelektronen oder Löcher) des p-dotierten Kristalls und negative Ladungsträger (freie Elektronen) des n-dotierten Kristalls auf die jeweils andere Seite des pn-Übergangs diffundiert und dort durch Rekombination verschwunden sind (siehe Artikel pn-Übergang). Die ursprünglichen Quellen der Ladungsträger, die Dotierungsatome, sind ortsfest und bilden nun als Ionen eine Raumladung, deren elektrostatisches Feld die beiden Ladungssorten voneinander fernhält und so die weitere Rekombination unterbindet. Über die ganze Raumladungszone hinweg entsteht die Diffusionsspannung. Diese kann durch eine von außen angelegte Spannung – je nach Polung – kompensiert werden, dann wird der p-n-Übergang leitfähig, oder verstärkt werden, dann bleibt er gesperrt.[1]

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

Mechanisches Ersatzmodell der Diode[Bearbeiten]

Die Funktion einer Gleichrichterdiode im Stromkreis kann man sich am einfachsten wie ein Rückschlagventil im Wasserkreislauf vorstellen: Wenn ein Druck (eine Spannung) auf dieses Ventil (Diode) in Sperrrichtung erfolgt, so wird der Wasser-(Strom-)fluss blockiert. In Durchlassrichtung muss der Druck (die Spannung) groß genug werden, um die Federkraft des Ventils (= Schleusen- oder Schwellenspannung der Diode) überwinden zu können. Dadurch öffnet das Ventil (die Diode) und der Strom kann fließen. Diesem Druck, welcher im mechanischen Modell zum Überwinden der Federkraft notwendig ist, entspricht bei einer Diode die so genannte Schwellenspannung (U_\text{S}) oder minimale Vorwärtsspannung (engl. forward voltage drop), die in Flussrichtung an der Diode anliegen muss, damit sie in den leitenden Zustand übergeht. Bei gewöhnlichen Siliziumdioden liegt U_\text{S} bei ca. 0,7 V.

Das Rückschlagventil verhält sich wiederum analog der Shockley-Formel, die zur Beschreibung der Halbleiterdiode entwickelt wurde (siehe unten bei Ideale Diode), wodurch sich die Formel unter anderem zur näherungsweisen Berechnung von Ventilen eignet.

Elektrisches Verhalten[Bearbeiten]

Die Analyse elektrischer Schaltungen erfordert eine mathematische Beschreibung der Diode. Hierfür gibt es die grafische Strom-Spannungs-Kennlinie, exakte Gleichungen und vereinfachte Modelle.

Formelzeichen[Bearbeiten]

Die detaillierte Betrachtung einer Diode erfordert eine Differenzierung der Formelzeichen. Die folgende Tabelle erleichtert hierbei die Übersicht.

Zeichen Beschreibung
U_\text{D} Spannung an der Diode
U_\text{S} Schleusenspannung (auch Schwellspannung genannt), Diode leitet in Durchlassrichtung
U_\text{F} Flussspannung; Spannung an der Diode in Durchlassrichtung (engl. forward voltage);
Verwendung teils identisch mit U_\text{S}
U_\text{R} Sperrspannung; Spannung an der Diode in Sperrrichtung (engl. reverse voltage)
U_\text{D,BR} Durchbruchspannung (engl. breakdown voltage)
I_\text{D} Strom durch die Diode
I_\text{S} Sättigungssperrstrom
I_\text{D,D} ; I_\text{F} Diffusionsstrom; Strom durch die Diode in Durchlassrichtung (engl. forward current)
I_\text{D,R} ; I_\text{R} Leckstrom; Strom durch die Diode in Sperrrichtung (engl. reverse current)
I_\text{S,R} Leck-Sättigungssperrstrom
I_\text{D,BR} Durchbruchstrom; Strom durch die Diode beim (Rückwarts-)Durchbruch (engl. breakdown current)
n Emissionskoeffizient
U_\text{T} Temperaturspannung
U_\text{G} Bandabstandsspannung (engl. gap voltage)
R_\text{B} Bahnwiderstand; ohmscher Widerstand des Halbleitermaterials
r_\text{D} Differentieller Widerstand
A oder AP Arbeitspunkt
C_\text{D} Diodenkapazität
C_\text{S} Sperrschichtkapazität
C_\text{D,D} Diffusionskapazität

Zusätzlich sind die folgenden Naturkonstanten wichtig:

Zeichen Beschreibung
k Boltzmannkonstante
q Elementarladung

Statisches Verhalten[Bearbeiten]

Das statische Verhalten beschreibt eine Diode bei Gleichspannung und gilt auch näherungsweise für Wechselspannungen mit niedriger Frequenz, etwa 50 Hz Netzspannung, aber je nach Ausführung auch bis in den MHz-Bereich. Durch eine veränderte Spannung bedingte Umverteilungsvorgänge im p-n-Übergang bleiben unberücksichtigt.

Kennlinie[Bearbeiten]

Strom-Spannungs-Kennlinie
Hinweis: Die Maßstäbe sowohl für Strom als auch für Spannung unterscheiden sich um Zehnerpotenzen im Durchlass- und im Sperrbereich
gemessene Kennlinien verschiedenster Dioden

Am anschaulichsten beschreibt die Strom-Spannungs-Kennlinie das statische Verhalten einer Diode. Die Kennlinie teilt sich dabei in drei Abschnitte: den Durchlassbereich, den Sperrbereich und den Durchbruchbereich.

Wenn man die Kennlinie betrachtet, fließt im Durchlassbereich anfangs trotz anliegender Spannung kein merklicher Strom I_F durch die Diode (bezogen auf in der Technik übliche Ströme). Erst ab einer Spannung von etwa 0,4 V beginnt bei Si-Dioden der Strom merklich anzusteigen. Ab etwa 0,6 V bis 0,7 V nimmt dann der Strom stark zu, und man spricht deswegen von der Schleusenspannung U_S. Bei Schottky- und Germanium-Dioden fließt ein nennenswerter Strom bereits bei etwa 0,2 V und die Schleusenspannung liegt bei etwa 0,3 V bis 0,4 V.

Im Sperrbereich fließt ein sehr geringer Strom, der sogenannte Leckstrom I_R. Dabei weisen Ge- und Schottky-Dioden wesentlich höhere Werte auf als Si-Dioden.

Je nach Dotierung beginnt bei Si-Dioden bei U_D bzw. -U_R ab etwa −50 V bis −1000 V der Durchbruchbereich und die Diode wird in Sperrrichtung leitend. Dasselbe gilt für eine Schottky-Diode bei etwa −10 V bis −200 V. Man spricht hierbei von der Durchbruchsspannung U_{BR}, welche mit positivem Vorzeichen angegeben wird. Durch spezielle Dotierungen erreicht man bei Si-Dioden auch Durchbrüche bis unter −5 V, was besonders bei Z-Dioden angewendet wird.

Ideale Diode / Shockley-Gleichung[Bearbeiten]

Kennlinie einer Silizium-Diode (gilt für 1N4001 bis 1N4007)

Die Shockley-Gleichung (benannt nach William Bradford Shockley) beschreibt die Kennlinie der Diode im Durchlassbereich und ist der Spezialfall einer Arrhenius-Gleichung.

I_\text{D} = I_\text{S} \,\left(\mathrm e^\frac{U_\text{D}}{n \;U_\text{T}} - 1 \right)

Da diese nichtlineare Kennlinie schwer zu handhaben ist, versucht man, sie je nach Anwendung mit verschiedenen Graden der Vereinfachung in Teilbereichen linear darzustellen (siehe weiter unten).

Bei U_\text{D} >n\cdot120 mV macht man einen relativen Fehler von < 1 %, wenn man in der Klammer den zweiten Summanden weglässt. Dann gilt

I_\text{D}= I_\text{S}\,\exp \frac{U_\text{D}}{n \;U_\text{T}}

Bei genauerer Betrachtung setzt sich der Diodenstrom aus dem Diffusionsstrom I_\text{D,D} unter Berücksichtigung des Hochstromeffekts, dem Leckstrom I_\text{D,R} und dem Durchbruchsstrom I_\text{D,BR} zusammen:

I_\text{D} =I_\text{D,D} + I_\text{D,R} + I_\text{D,BR}

Temperaturabhängigkeit[Bearbeiten]

Die Diodenkennlinie variiert mit der Temperatur. In der Shockley-Gleichung sind zwei temperaturabhängige Terme enthalten:

\begin{align}
U_\text{T}(T) &= \frac{k \cdot T}q = 86{,}17 \;\frac{\mathrm{\mu V}}{\mathrm K} \cdot T\\
             &\approx 25{,}8 \;\mathrm{mV} \text{  bei  }T = 300 \;\mathrm K\end{align}
{I_\text{S}(T)} =
  {I_\text{S}(T_0)} \cdot
  {\exp\left[\left({T \over T_0}-1\right)\cdot{{U_\text{G}(T)}\over{n U_\text{T}(T)}}\right]}
  \cdot {\left({T \over T_0}\right)^{\frac xn}
  \text{ mit }x \approx 3}

Dabei ist der Bandabstandsspannung (gap voltage) von Silizium U_\text{G} = {\frac{1{,}12 \,\mathrm{ eV}}q} = 1{,}12 \,\mathrm V.

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:

\begin{align}
\left.\frac{\part U_\text{D}}{\part T} \right|_{I_\text{D}=\text{const.}}
&=\frac{U_\text{D} - U_\text{G} -3\cdot U_\text{T}}{T}\\
&\approx -1{,}7\,\mathrm{\frac{mV}{K} \text{  bei  }T=300\;\mathrm{K} \text{ und }U_\text{D}(300\;\mathrm{K}) = 0{,}7 \, \mathrm{V}}\end{align}


Dieser Wert ist im relevanten Temperaturbereich um 300 K konstant genug, um damit anhand der Flussspannung Temperaturmessungen vornehmen zu können.

Diffusionsstrom[Bearbeiten]

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

I_\text{D,D} = I_\text{S} \left(\mathrm e^{\frac{U_\text{D}}{n U_\text{T}}}-1 \right)

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

Hochstromeffekt[Bearbeiten]

Der Hochstromeffekt bewirkt eine Zunahme von n im Bereich der mittleren Ströme auf 2n bei I_K für I_D gegen unendlich. Hierbei beschreibt der Kniestrom I_K die Grenze zum Hochstrombereich. Es fließt dadurch weniger Strom, und die Kennlinie besitzt einen flacheren, aber weiterhin exponentiellen Verlauf.

Leckstrom (Rekombinationsstrom)[Bearbeiten]

In diesem Artikel oder Abschnitt fehlen folgende wichtige Informationen: Es fehlen kurze Beschreibungen zum Unterschied von Sperrstrom und Rekombinationsstrom und warum die Diodengleichung aus dem Durchlassbereich hier modifiziert werden muss, um die reale Kennlinien zu beschreiben.

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Beim Anlegen einer Sperrspannung (U_\text{D} < 0) werden die Elektronen und Löcher zu den jeweiligen Kontakten abgeführt, damit vergrößert sich die Raumladungszone und die Diode sollte keinen Strom leiten. In der Praxis misst man aber weiterhin einen geringen Strom, den sogenannten Leckstrom (Sperrstrom). Er resultiert aus der Diffusion von Ladungsträgern durch die Raumladungszone in den entgegengesetzt dotierten Bereich, wo sie dann aufgrund der angelegten Spannung abgeführt werden. Hierbei liefert die p-Zone Elektronen und die n-Zone Löcher, welche als Minoritätsladungsträger zum Sperrstrom führen.

Für die mathematische Berechnung gilt:

{I_\text{D,R}}={ I_\text{S,R} \cdot \left(\mathrm e^{ { {U_\text{D}} \over {n_R \cdot U_\text{T}} }}-1 \right) \cdot \left[ {\left( 1-{ {U_\text{D}}\over{U_\text{diff}} } \right) }^2 + 5 \cdot {10^{-3}} \right]^{m_\text{S} \over 2} }

mit

  • I_\text{SR}Leck-Sättigungssperrstrom
  • n_\text{R} \ge 2Emissionskoeffizient in Sperrrichtung
  • U_\text{diff} \approx {{0{,}5 \dots 1} \, \text{V}}Diffusionsspannung
  • m_\text{S} \approx {\frac13 \dots \frac12}Kapazitätskoeffizient

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

Durchbruch[Bearbeiten]

Kennlinien verschiedener Z-Dioden

Der Sperrstrom einer pn-Diode in Sperrpolung ist im Allgemeinen gering. Vergrößert man jedoch die Spannung in Sperrrichtung U_\mathrm{R} = - U_\mathrm{D} weiter, so steigt der Sperrstrom I_\mathrm{R} = - I_\mathrm{D} ab einer bestimmten Sperrspannung zunächst langsam und dann schlagartig an. Diese Zunahme des Sperrstroms (reverse current) nennt man allgemein „Durchbruch“, und die zugehörige Spannung wird als Durchbruchspannung U_\mathrm{BR} > -U_\mathrm{D} bezeichnet. Die Durchbruchspannung einer Diode hängt allgemein vom Halbleitermaterial und der Dotierung ab und kann für Gleichrichterdioden im Bereich zwischen 50 und 1000 V liegen.

I_\mathrm{D,BR}= {- I_\mathrm{BR}} \cdot\mathrm e^{- {{U_\mathrm{D} + U_\mathrm{BR}}\over{n_\mathrm{BR} \cdot U_\mathrm{T}}}}

mit I_R, dem Durchbruchskniestrom, und n_\mathrm{BR} \approx 1, dem Durchbruch-Emissionskoeffizient.

Für die meisten Halbleiterdioden ist dieser Zustand unerwünscht, da er bei gewöhnlichen Dioden aufgrund der hohen Verlustleistung und des dünnen, eingeschnürten Stromflusskanals das Bauelement zerstört. Ursache für den Durchbruch sind sehr hohe elektrische Feldstärken. Es lassen sich drei unterschiedliche Mechanismen unterscheiden: der Lawinen-, der Zener- und der thermische Durchbruch.

Der Lawinendurchbruch (auch Avalanchedurchbruch oder Avalancheeffekt genannt) zeichnet sich durch eine Ladungsträgervervielfachung durch Stoßionisation aus. Er wird beispielsweise bei der IMPATT- und Suppressordiode, der Avalanche-Photodiode, sowie bei Z-Dioden (auch Zener-Dioden genannt) höherer Spannung genutzt (siehe auch unter Avalanche-Diode). Der Lawinendurchbruch ist auch bei manchen Gleichrichterdioden-Typen (Lawinengleichrichterdiode, Avalanche Type) zulässig und spezifiziert, so dass diese bei einmaligen oder periodischen Überspannungsereignissen bis zu bestimmten Energien nicht zerstört werden.

Beim Zener-Durchbruch werden hingegen durch eine spezielle Dotierung die Energiebänder stark verschoben. Beim Überschreiten der Durchbruchspannung – in diesem Fall spricht man meist von der Zenerspannung U_\mathrm{Z} – tritt ein Tunneleffekt auf, der es Valenzbandelektronen ermöglicht, ohne Energieaufnahme vom Valenzband in das Leitungsband zu wechseln. Der Zener-Durchbruch wird bei Z-Dioden bis etwa 5 Volt verwendet und dient unter anderem der Bereitstellung von Referenzspannungen.

Der thermische Durchbruch beschreibt den Zusammenbruch der Sperrspannung aufgrund hoher Temperatur und der damit verbundenen Ladungsträgergeneration. In der Regel führt er zur Zerstörung der Diode durch Diffusionsvorgänge.

Differentieller Widerstand[Bearbeiten]

Der differentielle Widerstand ergibt sich aus der Tangente durch den Arbeitspunkt der Diode. Er wird auch als dynamischer Widerstand bezeichnet. Durch die Verwendung einer Geraden anstatt der tatsächlichen Exponentialfunktion werden die benötigten Rechenschritte wesentlich vereinfacht.

Vereinfachte Kennlinie (grün)
r_\text{D} = \left.\frac{\mathrm dU_\text{D}}{\mathrm dI_\text{D}}\right|_A = \frac{n \cdot U_\text{T}}{I_\text{D, A} + I_\text{S}} \stackrel{\, I_\text{D,A} \gg I_\text{S} \,}{\approx} \frac{n \cdot U_\text{T}}{I_\text{D, A}}

Arbeitspunkt: A

Bei großen Strömen wird r_\text{D} sehr klein, und der Bahnwiderstand R_\text{B} tritt zunehmend in Erscheinung. Dies ist ein realer Widerstand und rührt wesentlich aus der Leitfähigkeit des Grundmaterials des Diodenchips. Er ist im Ersatzschaltbild mit r_\text{D} in Serie.

Die Ersatzschaltung mit r_\text{D} und R_\text{B} eignet sich je nach Diodentyp nur bis zu Frequenzen von 10 bis 100 kHz. Bei höheren Frequenzen, wie sie auch beim Ein- und Ausschalten auftreten, muss man zusätzlich die kapazitiven Eigenschaften sowie die Sperrerholzeit der Diode berücksichtigen.

Bahnwiderstand[Bearbeiten]

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

U_\text{D} = U'_\text{D} + I_\text{D} \cdot R_\text{B}

Statisches Kleinsignalmodell[Bearbeiten]

Kleinsignalmodell einer Diode

Das statische Kleinsignalmodell wird zur Dimensionierung der Arbeitspunkteinstellung von einfachen Schaltungen herangezogen. Hier entspricht r_\text{D} dem bereits genannten differentiellen Widerstand (s. o.). Hinzu kommt gegebenenfalls noch der Bahnwiderstand.

r_\text{D} = r_\text{D,D} \approx \frac{n \cdot U_\text{T}}{I_\text{D,A}}

Für den Betrieb um den Rückwärtsdurchbruch, also als Z-Diode, dient der Parameter r_Z zur Modellierung des Verhaltens.

r_Z = r_\text{D,BR} = {\frac{n_\text{BR} \cdot U_\text{T}}{ \left| I_\text{D,A} \right|}}

Dynamisches Kleinsignalmodell[Bearbeiten]

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 für Schaltanwendungen bedeutenden Diffusionskapazität.

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

r_\text{D} \approx {{n \cdot U_\text{T}} \over {I_\text{D,A}}}
C_\text{D} \approx {{{{\tau}_\text{T} \cdot I_\text{D,A}} \over {n \cdot U_\text{T}}} + 2 \cdot C_\text{S0}} = {{{\tau}_\text{T} \over r_\text{D}} + 2 \cdot C_\text{S0}}

Sperrschichtkapazität[Bearbeiten]

Siehe auch: Kapazitätsdiode
Verlauf der Sperrschichtkapazität

Der p-n-Übergang einer Diode hat eine Kapazität, die von der Breite der Raumladungszone abhängig ist. Mit steigender Sperrspannung vergrößert sich die Breite der ladungsfreien Zone, wodurch die Kapazität abnimmt.

C_\text{S}(U'_\text{D}) = \frac{C_\text{S0}}{ {\left( 1- \frac{U'_\text{D}}{U_\text{diff}} \right)}^{m_\text{S}}} \, \quad \text{wenn} \quad {U'_\text{D}} < {U_\text{diff}}

Die Null-Kapazität C_\text{S0} = C_\text{S}(0\,\mathrm{V}) ist direkt proportional zur Fläche des pn-Überganges. Die Diffusionsspannung U_\text{diff} ist ebenfalls von der Dotierung abhängig. Mit steigender Dotierung nehmen C_\text{S0} und U_\text{diff} zu. Die Diffusionsspannung U_\text{diff} liegt üblicherweise im Bereich zwischen 0,5 und 1 Volt.

Der Kapazitätskoeffizient m_\text{S} stellt das Dotierungsprofil des pn-Überganges dar. Direkte Übergänge von der p- in die n-Schichten führen zu einem Wert von m_\text{S} \approx 0{,}5, während Übergänge mit linearem Verlauf von der p- in die n-Schichten zu einem Wert von m_\text{S} \approx 0{,}3 führen.

Die obenstehende Formel für C_\text{S} ist nur bis zu einem Wert von etwa U'_\text{D} = 0{,}5 \, U_\text{diff} gültig. Die Formel kann also – wie in der Grafik punktiert dargestellt – den tatsächlichen Verlauf von C_\text{S} in diesem Bereich nicht wiedergeben. Über diesem Wert nimmt C_\text{S} nur noch schwach zu. Für einen Wert von U'_\text{D} > f_\text{S} \, U_\text{diff} wird der weitere Verlauf von C_\text{S} durch die Tangente im Punkt U'_\text{D} = f_\text{S} \, U_\text{diff} ersetzt, welches dem tatsächlichen Verlauf sehr nahekommt:

C_\text{S} \left( U'_\text{D} > f_\text{S} \, U_\text{diff} \right) = C_\text{S} \left( f_\text{S} \, U_\text{diff} \right) + \frac{\mathrm{d} C_\text{S}}{\mathrm{d} f_\text{S}\, U_\text{diff}} \left( U'_\text{S} - f_\text{S} \, U_\text{diff} \right)

Durch Einsetzen erhält man die Gleichung

C_\text{S}(U'_\text{D}) = C_\text{S0} \cdot \begin{cases} { \frac 1 {{\left( 1 - \frac{U'_\text{D}}{U_\text{diff}} \right) }^{m_\text{S}}} } & \text{wenn} \quad {{U'_\text{D}} \le {f_\text{S} \cdot U_\text{diff}}} \\ {\frac {1 - f_\text{S} \cdot { \left( 1 + m_\text{S} \right) } + \frac{ m_\text{S} \cdot U'_\text{D} }{U_\text{diff}}}{ { \left( 1 - f_\text{S} \right) }^{ \left( 1 + m_\text{S} \right) }}} & \text{wenn} \quad {U'_\text{D} > f_\text{S} \cdot U_\text{diff}} \end{cases}

Hierbei ist f_\text{S} \approx 0{,}4 \ldots 0{,}7.

Diffusionskapazität[Bearbeiten]

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.

IDD wird als Diffusionsstrom bezeichnet, und {\tau}_\text{T} ist die so genannte Transitzeit:

C_\text{D,D}{ \left( U'_\text{D} \right) }= \frac{\part Q_\text{D}}{\part U'_\text{D}} = \frac{{\tau}_\text{T} \cdot I_\text{DD}}{n U_\text{T}} \cdot \frac{1+ \frac{I_\text{S}}{2 \cdot I_\text{K}} \cdot e^{ \frac{U'_\text{D}}{n \cdot U_\text{T}}}}{1+ \frac{I_\text{S}}{I_\text{K}} \cdot e^{ \frac{U'_\text{D}}{n \cdot U_\text{T}}}}

Näherungsweise kann man auch annehmen, dass für den Diffusionsbereich I_\text{DD} \gg I_\text{DR} und damit auch I_\text{D} \approx I_\text{DD} gilt. Daraus ergibt sich die Näherungsgleichung:

C_\text{D,D} \approx {\frac{{\tau}_\text{T} \cdot I_\text{D}}{n \cdot U_\text{T}} \cdot \frac{1 + \frac{I_\text{D}}{2 \cdot I_\text{K}}}{1 + \frac{I_\text{D}}{I_\text{K}}} { \begin{matrix} { I_\text{D} \ll I_\text{K} } \\ {\approx} \\ {} \end{matrix} } \frac{{\tau}_\text{T} \cdot I_\text{D}}{n \cdot U_\text{T}}}
  • Bei Si-Dioden ist {\tau}_\text{T} \approx 1 \dots 100 \, \mathrm{ns}.
  • Bei Schottky-Dioden ist {\tau}_\text{T} \approx 1 \dots 100 \, \mathrm{ps}, deshalb kann bei Schottky-Dioden die Diffusionskapazität meist vernachlässigt werden.

Die Diffusionskapazität bzw. die Sperrerholzeit verursacht Verluste bei schnellen Schaltanwendungen (Schaltnetzteile), daher verwendet man hier – falls Schottkydioden aufgrund ihrer begrenzten Sperrspannung nicht angewendet werden können – besonders schnelle Siliziumdioden. Für Schalterdioden ist dagegen eine große Diffusionskapazität gewünscht, um eine niedrige Impedanz bei hohen Frequenzen zu erreichen.

Schaltverhalten[Bearbeiten]

Das Schaltverhalten kann nur sehr eingeschränkt mit dem Kleinsignalmodell beschrieben werden, denn hier ist das nichtlineare Verhalten der Diode wichtig. Die Beschreibung durch die Diffusionskapazität gibt für das „Ausschalten“ zwar ein qualitativ passendes Bild, liegt aber wegen der Nichtlinearität quantitativ daneben.

Der Wechsel von der Stromleitung in Durchlassrichtung zum Sperrverhalten geht bei einer PN-Diode nicht sofort. Zuerst müssen die zusätzlichen Minoritätsladungsträger entfernt werden. Wenn nicht auf die Rekombination gewartet wird, fließen die Minoritätsladungsträger als Reverse-Recovery-Ladung (Q_r) als kurzer Strompuls in Sperrrichtung ab. Erst danach wird die Spannung negativ und die Diode geht mehr oder weniger abrupt in den sperrenden Zustand über. Die Zeit, bis die Diode sperren kann, wird Sperrerholzeit (t_{rr}) genannt und ist von der Größenordnung der Transitzeit.

Diese Verzögerungszeit erlaubt es langsame pin-Diode als gleichstromgesteuerte Wechselspannungswiderstände für Schalter und regelbare Dämpfungsglieder für Hochfrequenzsignale (Periodendauer kurz gegen die Sperrerholzeit) zu verwenden. Umschaltbare Phasenschieber mit pin-Dioden werden auch in Phased-Array-Antennen benötigt.

Oft ist ein schneller Übergang in den sperrenden Zustand gefragt und es werden entsprechend schnelle Dioden mit kurzer Transitzeit (Größenordnung 5-200 ns für Silizium-PN-Dioden) angeboten. Bei Schottkydioden spielen die Minoritätsladungsträger keine wesentliche Rolle und entsprechend gibt es einen sehr schnellen Übergang in den sperrenden Zustand.

Auch der Übergang vom sperrenden Zustand in den leitenden Zustand geschieht nicht sofort, wenn auch recht schnell. Besonders bei PIN-Dioden für hohe Sperrspannungen braucht es eine gewisse Zeit, bis die Minoritätsladungsträger die Sperrschicht bzw. den intrinsischen Bereich geflutet haben. Bei einem sehr schnellen Anstieg des Stromes kann die Spannung in Flussrichtung anfangs deutlich höher werden als im stationären Fall. Bei „normalen“ Dioden (keine PIN) ist die Verzögerung recht kurz, bzw. das Überschwingen der Spannung gering und eher selten relevant.

Schaltermodell[Bearbeiten]

Schaltermodell als Ersatzschaltung für Gleichrichterdioden
Verschiedene stückweise linearisierte Kennlinien zum Schaltermodell

Die in den Vorangegangenen Abschnitten gezeigten Zusammenhänge greifen auf nicht-lineare Gleichungen zurück. Damit erschwert sich die Schaltungsanalyse erheblich. Jedoch sind derart exakte Modelle häufig nicht erforderlich und mit dem Rückgriff auf das Schaltermodell vereinfacht sich die Berechnung. Die Variante b) geht in den leitenden Zustand über, sobald an der Diode positive Spannungswerte anliegen und bei Variante c) schließt der spannungsabhängige Schalter sobald die Spannung die Flussspannung UF überschritten wird. Die eingezeichnete Spannungsquelle gibt aufgrund der Stromrichtung (P = U · I) keine Leistung an die Schaltung ab, sondern nimmt ausschließlich Leistung auf.

Kennzeichnung und Beschriftung[Bearbeiten]

Halbleiterdioden, unten ein Brückengleichrichter
SMD-Halbleiterdiode

Die Kathode unipolarer Dioden ist meist mit einem Ring oder Farbpunkt gekennzeichnet. Der Kathodenanschluss von Leuchtdioden ist durch einen Farbpunkt, ein kürzeres Anschlussbein und/oder eine Gehäuseabflachung gekennzeichnet. Bei Laserdioden ist die Anode meist mit dem Gehäuse verbunden.

Der Diodentyp kann 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 Ring gekennzeichnet. Einige Hersteller führen eigene Benennungsschemen.

Auch erwähnenswert ist die Kennzeichnung auf Brückengleichrichtern mit je zwei Anschlüssen für die anzulegende Wechselspannung „AC“ und die entnehmbare Gleichspannung „+“ und „−“. In der Typenbezeichnung sind oft die maximal zulässige Sperrspannung und Nennstrom enthalten, wobei etwa „E40 C30“ für 40 V Spannung (E) und 30 mA Strom (C) steht.

JEDEC[Bearbeiten]

Die Beschriftung für Dioden gemäß JEDEC setzt sich aus einer Zahl und einem Buchstaben sowie einer weiteren vierstelligen Zahl zusammen (z. B. „1N4148“). Die vierstellige 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[Bearbeiten]

Die Beschriftung der Dioden nach Pro-Electron setzt sich aus zwei bis drei Buchstaben und einer zwei- bis dreistelligen Zahl zusammen.

Beispiele: B A 159, B A T 20

  1. Kennbuchstabe = Ausgangsmaterial
  2. Kennbuchstabe = Hauptfunktion
  3. Kennbuchstabe = Hinweis auf kommerziellen Einsatz (als dritter Buchstabe wird bei kommerziellen Bauelementen X, Y oder Z benutzt)
  4. Ziffern = Registernummer (2 oder 3 Ziffern)

Die 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

Kenngrößen[Bearbeiten]

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:

  • maximal zulässige Sperrspannung (Gleichrichter- und Signaldioden, Leucht- und Laserdioden)
  • maximaler Dauer- und Spitzenstrom in Durchlassrichtung (Gleichrichter- und Signaldioden, Leucht- und Laserdioden)
  • die Flussspannung oder auch Schleusenspannung U_\text{F} bei einem bestimmten Strom (⅟10 Nennstrom für Gleichrichterdioden)
  • bei Zenerdioden die maximale Dauer-Verlustleistung und die Zenerspannung
  • bei Gleichrichter- und Signaldioden die Schaltzeit (auch Sperrverzögerungszeit oder Sperr-Erholzeit, engl. reverse recovery time, kurz trr genannt)
  • bei Suppressordioden (TVS) die Ansprechzeit, die Energie und die Spitzenleistung, die beim Avalanche-Durchbruch in Sperrrichtung absorbiert werden kann, die Durchbruchspannung sowie die maximal ohne Durchbruch garantierte Spannung in Sperrrichtung
  • insbesondere bei Schottkydioden der stark temperaturabhängige Leckstrom (Sperrstrom)

Diodentypen[Bearbeiten]

Es gibt eine Reihe von Dioden für unterschiedliche Einsatzzwecke:

Gleichrichtung
Die Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung erfolgt durch Silizium-PN-Dioden. Bei sehr großen Leistungen (Leistungsgleichrichter) verwendet man p+sn+-Dioden. Veraltete Typen sind die Germaniumdiode, der Kupferoxydul-Gleichrichter, der Selen-Gleichrichter („Trockengleichrichter“) und die Röhrendiode. Verpolungsschutz-Dioden und Freilaufdioden sind ebenfalls Gleichrichterdioden. Hochspannungsdioden bestehen aus mehreren in einem Gehäuse in Reihe geschalteten Diodenchips. Bei besonders hohen Frequenzen werden Schottky-Dioden eingesetzt.
Kleinsignaldioden
Kleinsignal-Dioden dienen der Gleichrichtung von Signalen (Demodulator, siehe auch Spitzendiode, hierfür wurden aber auch Röhrendioden verwendet), als Mischer, als Spannungsreferenz und zur Temperaturmessung bzw. -kompensation (Flussspannung (s. o.) bei Siliziumdioden ca. 0,7 V, temperaturabhängig)
Spannungsstabilisierung
Für die Spannungsstabilisierung und zur Überspannungsbegrenzung kommen Zener-Dioden (auch Z-Diode genannt) und die ähnlich aufgebauten Suppressordioden zum Einsatz. Hier wird der in Sperrrichtung auftretende Zenereffekt und der Avalancheeffekt genutzt. Bipolare Suppressordioden für den Einsatz an Wechselspannung bestehen aus zwei gegeneinander in Serie geschalteten unipolaren Dioden.
Stromstabilisierung
Die Stromregeldiode ist eigentlich eine integrierte Schaltung aus einem Widerstand und einem JFET. Sie dient als Konstantstromquelle.
Optik
Für optische Zwecke dienen die Laserdiode, die Photodiode, die Avalanche-Photodiode und die Leuchtdiode (kurz LED).
Kapazitive Dioden
Kapazitätsdioden (auch Varaktor oder Varaktordiode genannt) sind Dioden, deren von der Sperrspannung abhängige Sperrschichtkapazität als steuerbarer Kondensator genutzt wird.
Gesteuerte Gleichrichter und verwandte Bauelemente
Zur Gruppe der gesteuerten Gleichrichter gehören die Vierschichtdiode und der Thyristor. Des Weiteren werden die Diac (Zweirichtungsdiode) sowie der Unijunction-Transistor hinzugerechnet.
Gleichstromgesteuerte Widerstände
Pin-Dioden werden in der Hochfrequenztechnik als steuerbare Dämpfungsglieder oder HF-Schalter eingesetzt.[2]

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.

Der Avalancheeffekt wird in Avalanchedioden ausgenutzt. Weitere Dioden sind die Feldeffektdiode (Curristor), die Gunndiode, die Tunneldiode, der Sirutor, die IMPATT-Diode oder Lawinenlaufzeitdiode (kurz LLD) und die Speicherschaltdiode (engl. Step-Recovery-Diode), eine Sonderform der Ladungsspeicherdiode.

Die Schaltdiode ist eine Kleinsignal-Diode mit besonders schnellem Schaltverhalten. Die Schalterdiode ist dagegen eine besonders langsame Diode mit, geringer Sperrschichtkapazität und dient zum Schalten von Hochfrequenz, indem sie entweder mit einer Sperr-Gleichspannung oder mit einem Gleichstrom in Durchflussrichtung beaufschlagt wird.

Wortherkunft[Bearbeiten]

Das Wort Diode stammt von altgriechisch δίοδος díodos „Durchgang“, „Pass“, „Weg“; das weibliche Substantiv setzt sich zusammen aus der Präposition διά diá „durch“, „hindurch“ sowie dem Wort ὁδός hodós „Weg“.[3]

Literatur[Bearbeiten]

  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-42849-6.
  • Marius Grundmann: The Physics of Semiconductors. An Introduction Including Device and Nanophysics. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-25370-X (eng.).
  • Holger Göbel: Einführung in die Halbleiter-Schaltungstechnik. 2. Auflage. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-34029-7.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Dioden – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Stefan Goßner: Grundlagen der Elektronik, 8. Auflage, Shaker 2011, ISBN 978-3-8265-8825-9, Kapitel 2: "Der pn-Übergang"
  2.  L. Stiny: Handbuch aktiver elektronischer Bauelemente. Franzis' Verlag GmbH, 2009, ISBN 9783772351167, S. 186f.
  3. Wilhelm Gemoll: Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch, München/ Wien 1965