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Dioden als elektronische Bauteile

Allgemeines:
Dioden sind ein wichtiges elektronisches Bauteil in der Elektrotechnik. Aufgrund ihrer Eigenschaft (p-n-Übergang) lassen Dioden den Stromfluss nur in einer Richtung zu.
 
 

Aufbau und Stromleitung in Festkörpern:
Damit ein Festkörper elektrisch leitend ist, müssen im Festkörper frei-bewegliche Ladungsträger (in der Regel Leitungselektronen) vorhanden sein. Das Vorhandensein von Elektronen im Festkörper bedeutet noch nicht, dass dieser Festkörper elektrisch leitfähig ist, denn jedes Atom hat neben dem Atomkern auch eine Atomhülle, in der sich die Elektronen befinden. Ob nun die Elektronen (wie in einer Metallbindung) frei beweglich sind, kann anhand des Bindungssystems in dem betreffenden Stoff beurteilt werden. Im Kapitel "Werkstoffe" wird ausführlich auf das Bindungssystem in Festkörper und Halbleitern eingegangen, deswegen an dieser Stelle nur eine kurze Zusammenfassung:

Bei der Vorstellung des Bindungstypen beginnt alles mit dem Atommodell (Atomkern mit Atomhülle, in der Hülle umkreisen die Elektronen den Atomkern auf bestimmten Bahnen). Jede dieser Bahnen (auch Schalen) bezeichnet einen bestimmten Bereich von Energiewerten (der Elektronen), bei Festkörpern werden diese Bereiche auch als Energiebänder bezeichnet. Die wichtige Schale ist die Valenzschale (die äußerste), hier befinden sich die sog. Valenzelektronen, dieses Energieband wird als Valenzband bezeichnet. Die nächst höhere Schale wird als Leitungsband bezeichnet (diese Elektronen sind frei beweglich -> Leitungselektronen) und werden daher für die elektrische Leitfähigkeit benötigt. Bei Metallen überlappen Valenz- und Leitungsband, daher sind Metalle auch elektrisch leitfähig. Bei Halbleitern überlappen Valenz- und Leitungsband nicht, damit Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband gebracht werden können, muss den Elektronen eine bestimmte Energie zugeführt werden (meist thermische Energie). So steigt durch Temperaturerhöhung die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron ins Leitungsband gelang. Als Beispiel wäre hier zu erwähnen, dass bei Silicium sich die Leitfähigkeit bei einer Temperaturerhöhung von 10°C etwa verdoppelt.
 
 

Dotierung von Festkörpern (Halbleiter):
Halbleitermaterialien können durch bestimmte Dotierung mit fremden Atomen in ihrer Eigenschaft (von Interesse ist oft die Leitfähigkeit) teilweise stark verändert werden. Bei Halbleitern spricht man von n- bzw. p-Dotierung.

Die n-Dotierung bei Halbleitern:
Vorher ist das Beispiel Silicium als Halbleitermaterial erwähnt worden. Silicium besitzt (wie die meisten Halbleitermaterialien) vier Valenzelektronen. Um die Edelgaskonfiguration zu Erreichen (8 Valenzelektronen) benötigt nun das Silicium einen "Bindungspartner", der vier Valenzelektronen zur Verfügung stellt. Bei der sog. n-Dotierung fügt man in des Kristallgitters ein Fremdatom ein, dass fünf Valenzelektronen besitzt. Da das Silicium nur vier Valenzelektronen zur Edelgaskonfiguration benötigt, ist das fünfte Valenzelektron des Fremdatoms sehr locker (nur am Fremdatom) "gebunden". Man erzeugt dadurch ein "neues" Energieband, dass sehr nahe am Leitungsband liegt und daher die Leitfähigkeit des Halbleiters verändert. Mögliche Donatoren (die ein zusätzliches Elektron zur Verfügung stellen können) sind Arsen, Phosphor und Antimon.
 

Die p-Dotierung bei Halbleitern:
Anstelle eines Fremdatoms mit fünf Valenzelektronen lässt sich auf ein Fremdatom mit nur drei Valenzelektronen in das Kristallgitter des Halbleiters hinzufügen (hierbei spricht man von p-Dotierung). Häufig verwendete Materialien zur p-Dotierung sind Bor und Aluminium.
 

Anmerkung zu p- und n-Halbleitern:
Die Leitfähigkeit eines nichtdotierten Halbleiters ist sehr stark temperaturabhängig (in der Regel exponentiell). Die Leitfähigkeit eines dotierten Halbleiters hingegen ist sehr wenig von der Temperatur abhängig. 
 
 

P-N-Übergang bei Dioden:
Dioden sind ein elektronisches Bauteil, die aus zwei Halbleitern mit unterschiedlicher Dotierung (p- und n-Dotierung) bestehen. Wie in den Grundgesetzen der Physik erläutert, sind frei bewegliche Teilchen bestrebt, dichte Unterschiede auszugleichen. Da es in n-dotierten Halbleitern wesentlich mehr bewegliche Elektronen gibt als im p-dotierten Halbleiter, diffundieren Elektronen vom N in den P Halbleiter. Durch die Diffusion  von beweglichen Ladungsträgern bleiben die unkompensierten Ladungen der Donatoren bzw. Akzeptoren zurück.

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, lässt die Diode den Stromfluss nur in einer Richtung zu. Beim Anlegen einer Spannung an der Diode in Durchlassrichtung (Pluspol an die Anode) werden die positiven Ladungsträger der p-dotierten Zone vom Minuspol angezogen. Die negativen Ladungsträger aus der n-dotierten Zone werden vom Pluspol angezogen. Zwischen den beiden Zonen rekombinieren sich diese Löcher (positive Ladungsträger) mit den Elektronen. Es findet ein Ladungstransport statt.
Legt man nun den Pluspol an die Kathode der Diode, so werden die Ladungsträger aus der p-dotierten Zone zum Minuspol angezogen und die Ladungsträger der n-dotierten Zone zum Pluspol. In diesem Fall bildet sich zwischen den beiden Zonen eine ladungsfreie Zone, wodurch ein Stromtransport unterbrochen ist (empfehlenswert ist, sich das in einem Stromkreis hinzuzeichnen, dann ist dieser Sachverhalt schnell ersichtlich).
 
 

Kennlinien bei Dioden:
Die maximale Diodenspannung in Sperrichtung liegt bei "Kleindioden" bei 100 - 200 Volt, bei herkömmlichen Gleichrichterdioden bei 400 bis 1000 Volt. Wird diese sogenannte Sperrspannung überschritten, kommt es zur Zerstörung der Diode.

Kennlinie einer Diode

Der Graph in Durchlassrichtung läßt sich folgendermaßen erklären: Die einzelnen Teile der Diode (ohne den PN Übergang) haben einen Widerstand (sog. Bahnwiderstand), der größer ist als 0 Ohm. Dieser Bahnwiderstand wirkt wie ein normaler Widerstand und verändert deshalb die (exponentielle) Kennlinie. Der Widerstand sorgt dafür, dass eine gewisse Betriebsspannung benötigt wird (damit der Widerstand überwunden wird) und liegt bei Silicium im Bereich von 0,7 Volt.

Der Graph in Sperrichtung lässt sich folgendermaßen erklären: Trotz der Sperrichtung fließt bei kleiner Spannung ein kleiner Sperrstrom und hängt nur wenig von der Sperrspannung ab (wie im Diagramm erkennbar). Wird eine bestimmte Spannung (in Sperrichtung) überschritten, steigt der Sperrstrom stark an (Diode leitet dann auch in Rückwärtsrichtung). Dies lässt sich durch den sog. Zenereffekt  erklären. Bei einer bestimmten Spannung wird die (elektrische) Feldstärke so groß, dass Valenzelektronen durch die Kraft des Feldes losgerissen werden und somit einen Stromfluss ermöglicht. Dies ist aber nur (kurzzeitig) möglich, wenn der Strom begrenzt wird, wobei die Diode beim Durchbruch nicht zerstört, da die Zerstörung der Diode thermisch erfolgt.

wichtig sind bei Dioden sind folgende Größen:

  • Sperrspannung -  max. erlaubte Gleichspannung (Dauerspannung) in Rückwärtsrichtung.
  • Durchlassstrom - max. erlaubter Gleichstrom in Durchlassrichtung
  • Spitzenstrom - Für kurze Zeit kann der Diodenstrom auch höher als der max. erlaubte Durchlassstrom sein.
Bei diesen Größen handelt es sich um Betriebsgrößen, die nicht überschritten werden dürfen:
 

Anwendung von Dioden:

  • Ein Anwendungsgebiet von Dioden sind sog. Einweggleichrichter. Hierbei wird eine Netzspannung auf eine bestimmte Spannung heruntertransformiert. Die nachgeschaltete Diode lässt nur bei positiven Spannungen einen Strom fließen.
  • Ein weiteres Anwendungsgebiet sind sog. Brückengleichrichter.
  • Ein wichtiges Anwendungsgebiet sind Begrenzerschaltungen. Hierbei nutzt man die Eigenschaft von Dioden, ab einer gewissen Spannung den Strom nur in eine Richtung passieren zu lassen. Daher eignen sich Dioden als Spannungsbegrenzerschaltungen.
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