Dioden

Ähnlich wie eine Röhrendiode stellt eine Halbleiter-Diode eine “elektrische Einbahnstraße” dar; elektrischer Strom kann eine Halbleiter-Diode in nur einer Richtung passieren.

“Normale” Dioden

Eine Diode verfügt über zwei Anschlüsse, die als Anode und Kathode bezeichnet werden. Strom kann nur durch eine Diode fließen, wenn die Anode zum Plus- und die Kathode zum Minus-Pol zeigt; in der Gegenrichtung sperrt sie. Auf dem Bauteil ist die Kathoden-Seite durch ein schwarzen oder weißen Ring gekennzeichnet. Ab einer anliegenden Spannung von etwa U_{\mathrm{D}} =
\unit[0,7]{V} bei Silizium-Dioden beziehungsweise \unit[0,3]{V} bei Germanium-Dioden begint in Durchlassrichtung Strom zu fließen.

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Schaltzeichen einer Diode. Der linke Anschlussdraht wird Anode, der rechte Kathode genannt.

Beim Durchgang durch eine Silicium-Diode fällt die Spannung (anders als bei Ohmschen Widerständen, die zum Durchlassen einer größeren Stromstärke stets auch eine größere anliegende elektrische Spannung benötigen) relativ konstant um \unit[0,7]{V} ab – weitgehend unabhängig von der Stärke des fließenden Stroms. Das Ohmsche Gesetz U = R \cdot I ist somit nicht auf Dioden anwendbar.

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Kennlinie einer Diode in Durchlassrichtung.

Legt man eine entgegengesetzte Spannung U_{\mathrm{S}} an, so verhält sich eine Diode bis zu einem bestimmten Spannungswert wie ein Isolator – die Diode “sperrt”. Wird der Spannungswert, der vom Bautyp und Material der Diode abhängt, überschritten, so nimmt die (ebenfalls in Gegenrichtung) fließende Stromstärke I_{\mathrm{S}} rasant zu; die Diode kann dabei schnell überhitzt bzw. zerstört werden.

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Kennlinie einer \unit[100]{V}-Diode in Sperrichtung.

Auf jeder Diode sind zwei charakteristische Werte aufgedruckt:

  • Die in Volt angegebene Spannung sagt aus, mit welcher Spannung die Diode maximal entgegen der Durchlassrichtung (in “Sperrichtung”) betrieben werden darf.
  • Die in (Milli-)Ampere angegebene Stromstärke gibt an, welcher Strom maximal (in Durchlassrichtung) durch die Diode fließen darf.

Beide Werte dürfen nicht überschritten werden, da die Diode ansonsten zerstört werden kann.

Beispiel:

  • Für die Diode 1N4001 sind die Werte \unit[50]{V}/\unit[1]{A} angegeben; die maximale Spannung in Sperrichtung darf somit höchstens \unit[50]{V}, die maximale Stromstärke in Durchlassrichtung höchstens \unit[1]{A} betragen.

Die Shockley-Gleichung

Aus mathematischer Sicht kann die I(U)-Kennlinie einer Diode oberhalb der Durchbruchspannung durch die sogenannte Shockley-Gleichung beschrieben werden:

(1)I = I_{\mathrm{S}} \cdot \left( e ^{\frac{U}{n \cdot U_{\mathrm{T}}}} -1
\right)

Hierbei treten folgende Parameter auf:

  • I_{\mathrm{s}} gibt den Sättigungs-Sperrstrom der Diode an; dieser ist von verschiedenen Bauteileigenschaften sowie der Temperatur abhängig. Bei gewöhnlichen Siliziumdioden und bei Raumtemperatur ist I_{\mathrm{s}}
\approx \unit[10]{\mu A}.
  • Mit n wird der Emissionskoeffizient (eine Materialeigenschaft) bezeichnet; bei einer idealen Diode ist n=1, bei einer realen Diode ist 1 < n < 2. Oft wird n=1 angenommen und somit aus der Formel weggelassen.
  • U_{\mathrm{T}} wird “Temperaturspannung” genannt; sie beträgt bei Raumtemperatur etwa U_{\mathrm{T}} \approx \unit[0,026]{V}.

Wie man an der Gleichung (1) erkennen kann, hat die I(U)-Kennlinie einer Diode einen exponentiellen Verlauf. Derartige Kurven lassen sich häufig besser mit Hilfe einer logarithmischen Skala darstellen.[1]

Leuchtdioden

Leuchtdioden (“Light Emitting Diods”, kurz: LEDs) sind spezielle Dioden, die in einem durchsichtigen Gehäuse eingebaut sind und aufleuchten, wenn Strom durch sie fließt. Die übliche Betriebspannung einer Leuchtdiode liegt normalerweise bei U = \unit[1,4]{V}; maximal darf an LEDs (je nach Bautyp) eine Spannung von \unit[1,6]{V} \le U_{\mathrm{max}} \le \unit[2,4]{V} angelegt werden.[2] Die Stromstärke I beträgt dabei zwischen \unit[15]{mA} und \unit[25]{mA}.

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Schaltzeichen einer Leuchtdiode (LED).

Die Anode der Leuchtdiode, die durch einen längeren Anschlussdraht gekennzeichnet ist, muss mit dem Pluspol und die Kathode mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden sein. Die Anoden- und Kathodenseite einer LED lässt sich, wie in Abbildung Bauform Leuchtdiode dargestellt, ebenfalls anhand ihres Innenaufbaus erkennen.

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Bauform einer Leuchtdiode (LED).

Leuchtdioden haben eine Vielzahl an wichtigen Eigenschaften: Sie benötigen nur eine geringe Betriebspannung, sie unempfindlich gegen Stöße, benötigen nur wenig Platz und haben einen nur geringen Strombedarf. Zudem haben Leuchtdioden sehr schnelle Reaktionszeit: Sie können in einer Sekunde tausende Male ein- und wieder ausgeschaltet werden und daher, ähnlich wie früher die “Morse-Tasten”, bei einer geeigneten Codierung zur Signalübertragung verwendet werden.

Photodioden

Trifft Licht auf eine Photodiode, so wird in dieser ein elektrischer Strom ausgelöst, der als Photostrom I_{\mathrm{P}} bezeichnet wird. Je nach Ausführung liegt die Lichtempfindlichkeit der Photodiode im Infrarot-, Ultraviolett- oder im sichtbaren Bereich des Lichts.

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Schaltzeichen einer Fotodiode.

Solarzellen

Eine Solarzelle besteht im Prinzip ebenfalls aus einer großflächigen Photodiode. Häufig bestehen Solarzellen aus dünnen Silicium-Scheiben, die auf der Vorderseite p-dotiert und auf der Rückseite n-dotiert sind. Beide Seiten sind dabei mit gitter-artigen elektrischen Kontakten versehen.

Gelangt Licht durch die sehr dünne n-dotierte Schicht hindurch auf die p-dotierte Schicht, so werden dort Elektronen aus ihren Bindungen heraus gelöst; es werden also Elektronen-Loch-Paare erzeugt. In der n-dotierten Schicht sammelt sich dadurch ein Überangebot an Elektronen an. Diese Elektronen werden allerdings durch die Sperrschicht der Diode daran gehindert, unmittelbar wieder für einen Ladungsausgleich zu sorgen. Die Elektronen fließen vielmehr durch den äußeren Stromkreis zur p-dotierten Schicht zurück.

Wird eine Solarzelle beleuchtet, dann liegt an ihren Polen eine Spannung von ca. \unit[0,6]{V} an (“Leerlaufspannung”). Diese Spannung sinkt ab, wenn ein Verbraucher angeschlossen wird.

Z-Dioden

Bei normalen Dioden wird der Effekt genutzt, dass der Strom die Diode nur in eine Richtung passieren kann, die Diode also in die Gegenrichtung sperrt. Z-Dioden (bisweilen auch nach dem Erfinder Clarence Zener auch “Zener-Dioden” genannt) werden hingegen bewusst so gebaut, dass sie ab einer bestimmten (Durchbruch-)Spannung in Gegenrichtung leitfähig werden.

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Schaltzeichen einer Z-Diode.

Eine Z-Diode verhält sich in Sperrichtung entspricht im Wesentlichen so wie eine normale Diode in Vorwärtsrichtung. Hat beispielsweise eine Z-Diode eine Durchbruchspannung von U=\unit[5,\!6]{V}, so kann erst ab dieser Spannung ein Strom in Sperrichtung fließen. Bei höheren Spannungen nimmt die Stromstärke (entsprechend der Abbildung Kennlinie einer Diode in Sperrichtung) stark zu; die auf der Diode angegebene Maximal-Stromstärke sollte allerdings nicht überschritten werden.[3]

Beispiele für die Verwendung dieser Dioden gibt es im Abschnitt Spannungsregelung mit Z-Dioden.


Anmerkung:

[1]Bei einer “normalen” Skalierung steht eine jeweils gleiche Strecke für eine Addition eines gleichen Werts. Bei einer logarithmischen Skalierung hingegen drückt eine gleiche Strecke eine Multiplikation mit einem gleichen Faktor aus; mit einer logarithmischen Skalierung können somit sowohl kleine wie auch große Zahlenbereiche mit einer gleichen Darstellungstiefe in einem einzigen Diagramm dargestellt werden.
[2]

Die zulässigen Spannungen von Leuchtdioden sind je nach Helligkeit und Farbe unterschiedlich; hierbei sind die Herstellerangaben zu beachten. Typischerweise liegt die Betriebsspannung bei roten LEDs bei \unit[1,9]{V}, bei gelben LEDs bei \unit[2,0]{V}, bei grünen LEDs bei \unit[2,4]{V}. Blaue und weiße LEDs werden teilweise sogar mit 3 \text{ bis } \unit[3,5]{V} betrieben. Die Stromstärke liegt jeweils bei \unit[20]{mA}.

Damit LEDs nicht durch zu große Spannungen beziehungsweise Stromstärken zerstört werden können, sollte man beim Betrieb von LEDs stets auf einen passenden Vorwiderstand achten.

[3]Der Grund für die Bau- und Verwendungsweise von Z-Dioden liegt darin, dass es verhältnismäßig einfach ist, die Durchbruchspannung einer Diode auf beispielsweise \unit[5,\!6]{V} exakt festzulegen; es ist hingegen weitaus schwieriger eine Diode zu bauen, die in Vorwärtsrichtung eine derart hohe Spannung benötigt; selbst LEDs lassen die Spannung in Vorwärtsrichtung nur um etwa 2 bis \unit[3]{V} absinken, je nach Farbe.