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 bei Silizium-Dioden beziehungsweise
bei
Germanium-Dioden begint in Durchlassrichtung Strom zu fließen.
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
ab – weitgehend unabhängig von der Stärke des fließenden
Stroms. Das Ohmsche Gesetz
ist somit nicht auf Dioden
anwendbar.
Legt man eine entgegengesetzte Spannung 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
rasant zu; die Diode kann dabei schnell überhitzt bzw.
zerstört werden.
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 Werteangegeben; die maximale Spannung in Sperrichtung darf somit höchstens
, die maximale Stromstärke in Durchlassrichtung höchstens
betragen.
Die Shockley-Gleichung
Aus mathematischer Sicht kann die -Kennlinie einer Diode oberhalb
der Durchbruchspannung durch die sogenannte Shockley-Gleichung beschrieben
werden:
(1)¶
Hierbei treten folgende Parameter auf:
gibt den Sättigungs-Sperrstrom der Diode an; dieser ist von verschiedenen Bauteileigenschaften sowie der Temperatur abhängig. Bei gewöhnlichen Siliziumdioden und bei Raumtemperatur ist
.
- Mit
wird der Emissionskoeffizient (eine Materialeigenschaft) bezeichnet; bei einer idealen Diode ist
, bei einer realen Diode ist
. Oft wird
angenommen und somit aus der Formel weggelassen.
wird „Temperaturspannung“ genannt; sie beträgt bei Raumtemperatur etwa
.
Wie man an der Gleichung (1) erkennen kann, hat die
-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 ; maximal darf an LEDs (je nach Bautyp) eine
Spannung von
angelegt
werden.[2] Die Stromstärke
beträgt dabei zwischen
und
.
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.
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 bezeichnet wird. Je nach
Ausführung liegt die Lichtempfindlichkeit der Photodiode im Infrarot-,
Ultraviolett- oder im sichtbaren Bereich des Lichts.
Solarzellen
Eine Solarzelle besteht im Prinzip ebenfalls aus einer großflächigen Photodiode.
Häufig bestehen Solarzellen aus dünnen Silicium-Scheiben, die auf der
Vorderseite -dotiert und auf der Rückseite
-dotiert sind.
Beide Seiten sind dabei mit gitter-artigen elektrischen Kontakten versehen.
Gelangt Licht durch die sehr dünne -dotierte Schicht hindurch auf die
-dotierte Schicht, so werden dort Elektronen aus ihren Bindungen
heraus gelöst; es werden also Elektronen-Loch-Paare erzeugt. In der
-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
-dotierten
Schicht zurück.
Wird eine Solarzelle beleuchtet, dann liegt an ihren Polen eine Spannung von ca.
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.
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 , 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
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 ![]() ![]() ![]() |