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Bereits aus der Klasse-N-Ausbildung ist die Grundfunktion der Diode bekannt: sie lässt Strom nur in einer Richtung fließen, nämlich wenn die an der Anode anliegende Spannung ($U_a$) größer ist als die Spannung an der Kathode ($U_k$), vgl. Abbildung 112.
Abbildung 112: Spannungen und Strom an einer Diode mit Vorwiderstand
Mathematisch können wir diese Forderung so schreiben:
$U_d = U_a – U_k > 0$
Ist allerdings $U_d$ nur ein ganz wenig größer als 0, fließt noch kein merkbarer Strom. Das liegt an der exponentiellen Kennlinie einer Diode. Der Diodenstrom ist nämlich:
$I_d = I_S \left(e^{\frac{U_d}{U_T}}-1\right)$
$e$ ist die sogenannte Euler'sche Zahl ($e\approx 2,718$), $U_T$ eine Konstante, die bei Raumtemperatur etwa 26 mV beträgt.
$I_S$ ist hier der Sperrsättigungsstrom, das ist der sehr kleine Strom, der bei negativen Spannungen durch die Diode fließt. Der Wert von $I_S$ hängt neben ein paar Parametern der Diode, wie der Diodenfläche, vor allem auch vom verwendeten Halbleitermaterial ab. Bei Materialien wie Germanium (Ge) mit einer geringen Energiebandlücke (darauf gehen wir in der Ausbildung zur Klasse A näher ein) ist $I_S$ größer, bei Materialien mit größerer Energiebandlücke ist $I_S$ kleiner.
Abbildung 113: Kennline einer Diode
EC501: Eine in Sperrrichtung betriebene Diode zeichnet sich insbesondere aus durch ...
Betrachten wir eine Diodenkennlinie, so steigt der Diodenstrom bei positiven $U_d$ ab einer gewissen Spannung steil an. Diese Spannung wird auch als Schwellspannung $U_{th}$ bezeichnet, sie ist aber nur Ausdruck der unterschiedlichen $I_S$: je kleiner $I_S$, desto höher ist die Schwellspannung.
Als Anhaltspunkte für die Schwellspannung von pn-Dioden können wir für Ge etwa 0,2 bis 0,3 V und für Si etwa 0,6 bis 0,7 V angeben.
Leuchtdioden (LEDs) sind ebenfalls pn-Dioden, bei denen das Halbleitermaterial so beschaffen ist, dass es bei Polung der Diode in Flußrichtung Licht aussendet. Das geht nur mit bestimmten Materialien -- mit Si und Ge nicht. Die Farbe des Lichts ist durch die Energiebandlücke gegeben. Je größer die Energiebandlücke, desto kurzwelliger das Licht, um so geringer der Sperrsättigungsstrom, und daher um so höher die Schwellspannung. Daher haben rote LEDs etwa 1,7 V Schwellspannung und grüne LEDs 2,5 V. Die verschienden Kennlinien sind in der Abbildung 114 dargestellt.
EC513: Bei welcher Bedingung wird eine Siliziumdiode leitend?
EC510: Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
EC509: Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
EC511: Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
EC512: Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
Abbildung 114: Kennlinen verschiedener Dioden
EC503: Welche typischen Schwellspannungen haben Germanium- und Siliziumdioden? Sie liegen bei ...
EC506: Welche Diode wird durch Kennlinie 2 charakterisiert?
EC507: Welche Diode wird durch Kennlinie 3 charakterisiert?
EC508: Welche Diode wird durch Kennlinie 4 charakterisiert?
Da LEDs in Flussrichtung betrieben werden, ist es wichtig, einen Widerstand $R_V$ zwischen Spannungsquelle $U$ und LED zu schalten. $R_V$ stellt den erwünschten Strom $I$ ein. Dabei ist die Schwellspannung $U_{th}$ der LED zu berücksichtigen:
$ I=\frac{U-U_{th}}{R_V}$
EC514: Wozu dient die folgende Schaltung?
EC515: Eine Leuchtdiode mit einer Durchlassspannung von 1,4 V und einem Durchlassstrom von 20 mA soll an eine Spannungsquelle von 5,0 V angeschlossen werden. Berechnen Sie den Vorwiderstand. Die Größe des benötigten Vorwiderstandes beträgt ...
EC516: Folgende Schaltung einer Leuchtdiode wird an einer Betriebsspannung von 5,5 V betrieben. Der Strom durch die Leuchtdiode soll 25 mA betragen, wobei die Durchlassspannung 1,75 V beträgt. Der notwendige Vorwiderstand muss folgende Werte haben:
In unserem einfachen Modell fließt für negative $U_d$ nur ein geringer Sperrstrom. Das stimmt aber nicht für sehr negative Spannungen. Irgendwann wird das elektrische Feld über der Verarmungszone zwischen n und p zu hoch und die Diode „bricht durch“, der Strom in Rückwärtsrichtung steigt extrem stark an, wie in Abbildung 115 gezeigt.
Dieser Sperrdurchbruch kann verschiedene physikalische Ursachen haben, die wir hier nicht im Detail behandeln können. Die Spannung, bei der dieser Durchbruch passiert, wird gemeinhin als Zener-Spannung $U_z$ bezeichnet, auch wenn der Zener-Effekt (ein quantenmechanischer Tunneleffekt) nur ein möglicher Durchbruchmechanismus ist. Zenerdioden werden zur Spannungsstabilisierung verwendet. Dabei ist es wichtig, den Durchbruchstrom durch einen Vorwiderstand zu begrenzen.
Abbildung 115: Kennline einer Z-Diode
Das Schaltsymbol einer Zenerdiode (Abbildung 116) ist das einer regulären Diode, bei der der Kathodenstrich eine zuätzliche Fortsetzung unter 90° erhält. Dies soll an das „Abknicken“ der Kennlinie im Durchbruch erinnern.
Abbildung 116: Schaltsymbol einer Zenerdiode
EC517: Welches Bauteil wird durch das Schaltzeichen symbolisiert?
EC520: In welcher der folgenden Schaltungen ist die Z-Diode zur Spannungsstabilisierung richtig eingesetzt?
EC521: Eine unbelastete Z-Diode soll eine 13,8 V Betriebsspannung auf 5 V stabilisieren. Dabei soll ein Strom von 30 mA durch die Z-Diode fließen. Der Ausgang der Schaltung soll nicht belastet werden. Berechnen Sie den Wert des Vorwiderstands.
EC522: Folgende Schaltung einer Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode ist gegeben. Der Strom durch die Z-Diode soll 25 mA betragen und der Laststrom ist 20 mA. Der Wert des notwendigen Vorwiderstandes beträgt ...
Die bisher behandelten Dioden waren alle pn-Dioden, die Diodeneigenschaft entsteht durch einen Halbleiterübergang. Bei der Schottky-Diode handelt es sich um eine Diode, deren Eigenschaften durch einen Metall-Halbleiter-Übergang entstehen. Die Schwellspannung ist etwa halb so groß wie die einer pn-Diode aus dem selben Material, oder kleiner, abhängig von der genauen Gestaltung des Metall-Halbleiter-Übergangs. Schottky-Dioden werden eingesetzt, wenn die Schwellspannung gering sein soll, oder aber als sehr schnelle Schaltdioden.
EC504: Welches sind die Haupteigenschaften einer Schottkydiode?
EC505: Welche Diode wird durch Kennlinie 1 charakterisiert?
Metall-Halbleiter-Dioden sind die ältesten Gleichrichterbauelemente auf Halbleiterbasis. Ferdinand Braun entdeckte ihren Gleichrichtereffekt bereits 1874, ohne aber seine Beobachtung erklären zu können.
Fassen wir zusammen:
Dioden lassen Strom nur einer Richtung fließen. Daher eignen sie sich zur Gleichrichtung von Wechselstrom.
Bei hohen Sperrspannungen allerdings ($U_d < U_z$), steigt der Strom in Rückwärtsrichtung stark an. Dieser Betriebspunkt kann sehr gut zur Spannungsstabilisierung genutzt werden (Zenerdiode).
Daneben lassen sie sich in Sperrrichtung auch als spannungsgesteuerte Kapazitäten verwenden, dies werden wir aber erst in der Ausbildung zur Klasse A behandeln.
EC502: Wofür können Halbleiterdioden beispielsweise verwendet werden?
EC518: Für welchen Zweck werden Z-Dioden primär eingesetzt?
