Dioden

Dioden sind elektronische Bauelemente, die Strom nur in einer Richtung durchlassen. Sie bestehen aus zwei Halbleiterschichten mit einer Sperrschicht. Erfahre, wie Dioden funktionieren, welche Arten es gibt und wo sie Anwendung finden.

Inhaltsverzeichnis zum Thema Dioden

Das Quiz zum Thema: Diode

Wie lautet die Aufgabe einer Diode?

Frage 1 von 5

Was passiert, wenn an die p-dotierte Schicht einer Diode eine positive und an die n-dotierte Seite eine negative Spannung angelegt wird?

Frage 2 von 5

Was ist die Durchbruchspannung einer Diode?

Frage 3 von 5

Welche Art von Diode besitzt einen Metall-Halbleiter-Übergang?

Frage 4 von 5

Warum können Elektronen in einer Diode nur in eine Richtung fließen?

Frage 5 von 5

Dioden im Überblick

  • Dioden sind elektronische Bauelemente, die elektrischen Strom nur in eine Richtung durchlassen. In die entgegengesetzte Richtung sperren sie den Stromfluss.
  • Sie bestehen aus zwei verschieden dotierten Halbleiterschichten, zwischen denen sich eine Sperrschicht bildet.
  • Die Sperrschicht vergrößert sich, wenn an die p-dotierte Seite die negative Spannung und an die n-dotierte Seite die positive Spannung angelegt wird. Die Diode sperrt den Stromfluss.
  • Die Sperrschicht verkleinert sich und kann überwunden werden, wenn an der p-dotierten Seite die positive und an der n-dotierten Seite die negative Spannung angelegt wird. Die Diode leitet den Strom.
Diode: Lernvideo

Quelle sofatutor.com

Diode – Erklärung

Die Halbleiterdiode, kurz Diode, ist ein Halbleiterbauelement. Die Aufgabe der Diode ist es, elektrischen Strom nur in eine Richtung durchzulassen. Dioden werden dort genutzt, wo der Strom nur in eine Richtung fließen soll. Das ist bei Handyladegeräten, Lampen oder auch Solarzellen der Fall. Die Diode funktioniert wie ein spannungsgesteuerter Widerstand. Wie groß der Widerstand der Diode ist, wird mithilfe der elektrischen Spannung kontrolliert.

Als Durchlassrichtung wird die Richtung bezeichnet, in die der Strom durch die Diode fließen kann. Als Sperrrichtung wird die Richtung bezeichnet, in die der Strom nicht durch die Diode fließen kann.

Diode – Aufbau

Die Diode besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten. Die p-dotierte Schicht ist positiv dotiert und besitzt freie Bindungsplätze. Diese werden auch Löcher genannt und können als positive Ladungsträger beschrieben werden. Die n-dotierte Seite ist negativ dotiert, besitzt also einen Überschuss an frei beweglichen Elektronen. 

Zwischen beiden Schichten entsteht eine Grenzschicht, die als Raumladungszone oder Sperrschicht bezeichnet wird. Sie entsteht, da Elektronen in die p-Schicht wandern und mit Löchern rekombinieren und Löcher in die n-Schicht wandern, wo sie mit Elektronen aufgefüllt werden. Dieser Zwischenbereich ist also gegenüber der p-Schicht negativ geladen und gegenüber der n-Schicht positiv geladen. In diesem Bereich sind keine frei beweglichen Ladungsträger mehr vorhanden. Dadurch werden weitere freie Ladungsträger daran gehindert, sich in Richtung p-dotierte Seite zu bewegen.

Aufbau einer Halbleiterdiode

Das Schaltzeichen der Diode ist ein Dreieck, das mit der Spitze auf eine gerade Linie zeigt. So kann auch direkt die Durchlassrichtung abgelesen werden. Das Dreieck stellt dabei die Anode und die Linie die Kathode der Diode dar. Auf Dioden befinden sich immer Markierungen und Kennzeichnungen, die die Polung der Diode anzeigen.

Diode – Funktionsweise

Wird an die p-dotierte Schicht eine positive und an die n-dotierte Seite eine negative Spannung angelegt, werden die Elektronen von der negativen Spannung und die Löcher von der positiven Spannung stärker Richtung Sperrschicht gedrückt. Somit wird die gesamte Sperrschicht zusammengedrückt und schmaler. Ab einer gewissen Spannung wird die Sperrschicht überwunden. Dadurch können Elektronen wieder zur p-dotierten Seite übergehen. Die Diode leitet den Strom.

Wird an die p-dotierte Schicht eine negative und an die n-dotierte Seite eine positive Spannung angelegt, werden die Elektronen von der positiven Spannung auf der n-dotierten Seite und die Löcher von der negativen Spannung auf der p-dotierten Seite stärker angezogen. Die Sperrschicht in der Mitte vergrößert sich. Die Diode sperrt den Stromfluss.

Diode – Kennlinie

An der Kennlinie können die Eigenschaften von elektronischen Bauteilen abgelesen werden. Bei der Diodenkennlinie ist die Stromstärke über die angelegte Spannung aufgetragen. Das Diagramm wird in die drei Bereiche Durchlassbereich, Sperrbereich und Durchbruchsbereich eingeteilt. Die drei Bereiche werden durch die Durchbruchspannung und die Schwellspannung voneinander getrennt.

Kennlinie einer Diode (1)
Kennlinie einer Diode (2)

Durchbruchspannung der Diode

Als Durchbruchspannung wird die Spannung bezeichnet, bis zu der man die Diode in Sperrrichtung verwenden kann. Wird diese Spannung überschritten, kann die Diode kaputtgehen. Da es sich dabei um eine Kenngröße handelt, ist die Durchbruchspannung immer angegeben. Die Abkürzung für die Durchbruchspannung ist U_\text{D} oder U_\text{BR}.

Schwellspannung der Diode

Als Schwellspannung wird die Spannung bezeichnet, ab der die Diode als leitend gilt. Häufig findet man für diese Spannung auch die Begriffe Durchlassspannung und Flussspannung. Die Abkürzung für diese Spannung ist U_\text{F} oder U_\text{S}. Siliziumdioden besitzen in etwa eine Schwellspannung von 0,6 bis 0,7\,\text{V}.

Weitere Kenngrößen

Weitere Kenngrößen für die Diode sind:

  • U_\text{D}: die Spannung an Dioden
  • I_\text{D}: der Strom an Dioden
  • I_\text{D,D} oder I_\text{F}: der Strom durch die Dioden in Durchlassrichtung
  • I_\text{D,R} oder I_\text{R}: der Strom durch die Dioden in Sperrrichtung
  • I_\text{D,BR}: der Strom durch die Dioden nach Erreichen der Durchbruchspannung

Neben der Spannung an Dioden gibt es auch noch die Sperrspannung. Dabei handelt es sich um die Spannung in Sperrrichtung der Diode.

Diode – Arten

Es existieren verschiedene Arten von Dioden. Im Folgenden werden fünf Diodenarten kurz vorgestellt.

Schottky-Diode

Die Schottky-Diode besitzt einen Metall-Halbleiter-Übergang statt eines Halbleiter-Halbleiter-Übergangs. Sie hat somit eine geringere Schwellspannung als andere Dioden. Zudem ist ihre Schaltzeit sehr gering. Als Schaltzeit wird die Zeit bezeichnet, die eine Diode braucht, um den Strom zu blockieren, nachdem von der Durchlass- in die Sperrrichtung gewechselt wurde.
Die Schottky-Diode besitzt ein leicht abgewandeltes Schaltzeichen. Am senkrechten Strich sind oben und unten noch kurze waagerechte Striche ergänzt. So sieht der Strich etwas wie ein eckiges, lang gezogenes S aus. 

Zener-Diode

Die Zener-Diode wird dauerhaft in Sperrrichtung verwendet. Für ihr Schaltzeichen wurde das Schaltzeichen der Diode nur um einen kurzen waagerechten Strich Richtung Dreieck am unteren Ende der senkrechten Linie ergänzt.

Leuchtdiode

Leuchtdioden sind bekannt unter der Abkürzung LED. Es werden direkte Halbleiter verwendet, um bei der Rekombination von Elektronen mit Löchern für den Menschen sichtbares Licht auszustrahlen.
Das Schaltzeichen der Diode wird für die Leuchtdiode um zwei vom Dreieck weggehende Pfeile ergänzt, die deutlich machen sollen, dass es sich um Licht handelt.

Fotodiode

Im Gegensatz zur LED wandelt die Fotodiode durch den inneren Fotoeffekt einfallendes Licht in elektrischen Strom um. Bei dem Licht kann es sich um sichtbares Licht, infrarote oder ultraviolette Strahlung handeln.
Die Fotodiode besitzt ein ähnliches Schaltzeichen wie die LED, aber die Pfeile zeigen in Richtung des Dreiecks. Das soll einfallendes Licht symbolisieren.

Laserdiode

Die Laserdiode besitzt das gleiche Prinzip wie die LED. Bei der Laserdiode wird durch Rekombination Laserstrahlung erzeugt. Durch elektrisches Pumpen wird die Strahlung immer stärker und gerichteter.

Dioden – Anwendung

Die Diode findet in vielen Bereichen Verwendung. Beim Laden eines Handys benötigt man Gleichspannung, das Stromnetz liefert jedoch Wechselspannung. Dioden im Stromkreis wandeln die Wechselspannung um, indem sie die geeignete Polung durchlässt und die andere sperrt. Man spricht bei diesen Dioden auch von Gleichrichterdioden.
LEDs finden in vielen Lampen im Alltag Anwendung und das Prinzip der Fotodioden wird unter anderem für Solarzellen genutzt.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Diode

Eine Diode leitet elektrischen Strom nur in eine Richtung. In der Diode befindet sich eine Sperrschicht, die sich je nach Fließrichtung des Stroms vergrößert oder verkleinert und somit den elektrischen Strom versperrt oder durchlässt.

Der Spannungsabfall einer Diode kann anhand ihrer Kennlinie abgelesen werden und ist abhängig von der angelegten Stromstärke.

Wird an der p-dotierten Seite eine negative Spannung und an der n-dotierten Seite eine positive Spannung angelegt, dann breitet sich die Sperrschicht aus und die Diode sperrt den Stromfluss.

Die Sperrschicht zwischen der n-dotierten und der p-dotierten Schicht der Diode sorgt dafür, dass sich keine Elektronen von einer zur anderen Seite der Diode bewegen können. Durch Anlegen einer positiven Spannung auf der p-dotierten Seite und einer negativen Spannung auf der n-dotierten Seite, wird die Sperrschicht so weit zusammengedrückt, bis Elektronen wieder von der n-dotierten zur p-dotierten Seite wandern können. Legt man die Spannung andersherum an, dann vergrößert sich die Sperrschicht und verhindert den Stromfluss.

Die positive Spannung muss an der Anode und die negative Spannung an der Kathode angelegt werden.

Die Abkürzung LED steht für Leuchtdiode.

Direkte Halbleiter sorgen bei der Leuchtdiode dafür, dass bei der Rekombination von Elektronen mit Löchern für den Menschen sichtbares Licht ausgestrahlt wird.

Der Metall-Halbleiter-Übergang sorgt dafür, dass diese Art der Diode eine geringe Schwellspannung und eine geringe Schaltzeit besitzt.

Eine Gleichrichterdiode lässt nur die für das angeschlossene Gerät geeignete Polung durch. Sie macht somit aus Wechselstrom Gleichstrom.

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