Halbleiterdioden
In vielen elektrischen Schaltungen ist es erwünscht, den Strom in eine Richtung durchzulassen und in die andere Richtung zu sperren. Bauteile, die diese Eigenschaft haben, werden Dioden genannt. Vergleicht man den elektrischen Strom mit Wasser in einer Wasserleitung, so fungiert eine Diode wie ein Rückschlagarmatur, das Wasser nur in eine Richtung durchlässt.
Früher wurden Dioden mit der Röhrentechnik hergestellt. Diese haben gegenüber den Dioden aus Halbleitern viele Nachteile, z.B. die vergleichsweise hohen Produktionskosten und die Größe. Eine Halbleiterdiode ist kostengünstig zu produzieren, erfüllt bei einer wesentlich kleineren Baugröße dieselbe Funktion und ermöglicht dadurch z.B. die Realisierung von integrierten Schaltkreisen (IC).
Aufbau einer Halbleiterdiode
Eine Halbleiterdiode besteht aus zwei dotierten Halbleiterschichten, wobei die eine Schicht n-dotiert und die andere p-dotiert ist. Durch Dotierung wird die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern erheblich gesteigert. Bei der n-Dotierung entsteht ein Überschuss an (negativen) Elektronen und bei der p-Dotierung ein Überschuss an (positiven) Löchern, die auch Defektelektronen genannt werden.
Halbleiterdiode unter elektrischer Spannung
Schließt man die Halbleiterdiode an eine Spannungsquelle an, so kommt das Verhalten darauf an, welche Schicht an das Pluspol und welche an das Minuspol angeschlossen ist. Schließt man die n-Schicht an das Pluspol und die p-Schicht an das Minuspol an, vergrößert sich die Sperrschicht, bis die Diode komplett mit der Sperrschicht überzogen ist und die Diode sperrt. Bei einer umgekehrten Polung (n-Schicht an Minuspol, p-Schicht an Pluspol) verkleinert sich die Sperrschicht, bis es irgendwann komplett aufgehoben wird und die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet. Für die Durchleitung des elektrischen Stroms in Durchlassrichtung muss die elektrische Spannung über der Schwellspannung liegen.
Die genauen Vorgänge, warum die Halbleiterdiode bei entsprechender Polung sperrt oder in Durchlass geschaltet wird, ist unter pn-Übergang bei Halbleiterdioden beschrieben.
Schaltzeichen und Markierungsring an Dioden
Das Schaltzeichen einer Diode ist zweigeteilt. Ein Pfeil steht für den p-Leiter und stellt die Anode dar. Der Pfeil signalisiert die Durchlassrichtung des Stroms in technischer Stromrichtung. Das bedeutet, vom Pluspol zum Minuspol. Physikalisch bewegen sich die Elektronen dagegen vom Minuspol zum Pluspol. Ein Balken steht für den n-Leiter und stellt die Kathode dar. An den Dioden selbst erkennt man die Kathode am Markierungsring, der an der Kathodenseite angebracht ist.
Diode in Durchlass- oder Sperrpolung
Sofern man die Diode in Durchlass polen möchte, schließt man die Anode an das Pluspol. Falls man die Diode in Sperrpolung betreiben möchte, schließt man die Kathode an das Pluspol.
Diodenkennlinien
Das nachfolgende Bild zeigt eine I/U-Kennlinie für die Halbleiter Germanium und Silizium. Daraus kann man ablesen, welcher Strom bei welcher Spannung durch die Dioden fließen. Im oberen, rechten Bereich sind die Kennlinien für die Durchlasspolung, im unteren linken Bereich für die Sperrpolung.
Bei einer Durchlasspolung sperren Halbleiterdioden aus Silizium den elektrischen Strom (IF) bis zu einer elektrischen Spannung (UF) von ca. 0,6 - 0,7 Volt. Ab dieser Grenze wird der Strom durchgeleitet und die Kennlinie steigt rasant an. Die Spannung (UF), ab der eine Diode in Durchlasspolung den elektrischen Strom durchleitet, wird Durchlassspannung, Schleusenspannung oder Schwellspannung genannt.
Erhält die Diode eine elektrische Spannung in Sperrpolung, dann wird der Strom bis zu einer Spannung (UR) von ca. 100 Volt gesperrt. Die Spannung (UR), bis zu der eine Diode den elektrischen Strom in Sperrpolung sperrt, wird Sperrspannung genannt. Ab dieser Grenze wird der elektrische Strom (IR) durchgeleitet und die Diode wird damit zerstört. Auch in Durchlasspolung kann die Diode zerstört werden, wenn der maximale Durchlassstrom überschritten wird.
Bei Germanium sperrt die Diode in Durchlasspolung den elektrischen Strom bis zu einer Schwellspannung von ca. 0,3 Volt. In Sperrpolung lässt eine Germaniumdiode den elektrischen Strom von Beginn an in geringen Mengen durch. Ab einer Sperrspannung von ca. 60 Volt steigt die Menge des durchgelassenen Stroms rapide an und die Diode wird zerstört.
Die beiden elektrischen Größen Schwellspannung und Sperrspannung sind als Potentiale zu sehen. Eine Diode sperrt den elektrischen Strom, wenn das Anodenpotential negativer als das Kathodenpotential ist. Der elektrische Strom wird durchgeleitet, wenn das Anodenpotential positiver als das Kathodenpotential ist und die Differenz so groß ist, dass die Diffusionsspannung überwunden werden kann. Somit entspricht die Schwellspannung der Diffusionsspannung.