mini|Schaltzeichen einer Diode und Abbildungen üblicher Gehäuse mit Markierung der Kathode. Kennzeichnung der positiven (+) und negativen (−) Elektrode bei Beschaltung in Durchlassrichtung mini|Auswirkung einer Diode je nach Richtung mini|(Gleichrichter-)Dioden in verschiedenen Bauformen Eine Diode ist ein elektronisches Bauelement auf Halbleiterbasis, das elektrischen Strom in einer Richtung passieren lässt und in der anderen Richtung sperrt. Sie hat eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung.
Das Verhalten wurde 1874 von Ferdinand Braun in Punktkontakten auf Halbleitern (Bleisulfid) entdeckt. Die ersten Halbleiterdioden, die man entwickelte, waren Kristalldetektoren und Spitzendioden. Bei diesen Diodentypen verwendete man eine feine Metallspitze (meist aus Wolfram), die auf ein einkristallines Halbleiterplättchen (z. B. aus Galenit) drückte und dort einen lokalen Metall-Halbleiter-Übergang herstellte.
Einfach als Diode werden überwiegend solche Halbleiterdioden bezeichnet, die aus Silizium mit den Methoden der Halbleitertechnik hergestellt werden und einen p-n-Übergang enthalten. Ausführungen mit einem Metall-Halbleiter-Übergang (Schottky-Effekt) oder aus anderem Material werden durch Namenszusätze gekennzeichnet, beispielsweise Schottkydiode oder Germaniumdiode.
Dioden werden unter anderem zur Gleichrichtung und Signalverarbeitung eingesetzt. Daneben zeigt der Halbleiterübergang weitere nutzbare Eigenschaften, die z. B. in Foto-, Z-, Leuchtdioden und Halbleiterdetektoren ausgenutzt werden.
Aufbau und Physik einer Halbleiterdiode mini|Geöffnete 3-Ampere-Schottkydiode vom Typ 1N5822: Die Anschlussdrähte sind auf den Siliziumkristall gelötet, um gute Wärmeableitung und Strom-belastbarkeit zu ermöglichen. Die Grundlage der Halbleiter-Diode ist entweder ein p-n-dotierter Halbleiterkristall (meist aus Silizium, aber auch Germanium, siehe Germaniumdiode, oder Galliumarsenid) oder ein Metall-Halbleiter-Übergang (siehe Schottky-Diode).
Die Leitfähigkeit eines solchen Übergangs hängt ab von der Polung der Betriebsspannung an Anode (p-dotiert) und Kathode (n-dotiert), also von der Stromflussrichtung. Der p-n-Übergang (graue Fläche) ist eine Zone, die frei von beweglichen Ladungsträgern ist, da positive Ladungsträger (sog. Defektelektronen oder Löcher) des p-dotierten Kristalls und negative Ladungsträger (freie Elektronen) des n-dotierten Kristalls auf die jeweils andere Seite des pn-Übergangs diffundieren und dort durch Rekombination verschwinden (siehe Artikel pn-Übergang). Die ursprünglichen Quellen der Ladungsträger, die Dotierungsatome, sind ortsfest und bilden nun als Ionen eine Raumladung, deren elektrostatisches Feld die beiden Ladungssorten voneinander fernhält und so die weitere Rekombination unterbindet. Über die ganze Raumladungszone hinweg entsteht die Diffusionsspannung. Diese kann durch eine von außen angelegte Spannung – je nach Polung – kompensiert werden, dann wird der p-n-Übergang leitfähig, oder verstärkt werden, dann bleibt er gesperrt.Stefan Goßner: Grundlagen der Elektronik., 11. Auflage, Shaker, 2019, ISBN 978-3-8440-6784-2, Kapitel 2: "Der pn-Übergang"
Mechanisches Ersatzmodell der Diode Die Funktion einer Gleichrichterdiode im Stromkreis kann man sich am einfachsten wie ein Rückschlagventil im Wasserkreislauf vorstellen: Wenn ein Druck (eine Spannung) auf dieses Ventil (Diode) in Sperrrichtung wirkt, wird der Wasser-(Strom-)fluss blockiert. In Durchlassrichtung muss der Druck (die Spannung) groß genug werden, um die Federkraft des Ventils (= Schwellen- oder Schleusenspannung der Diode) zu überwinden. Dadurch öffnet das Ventil (die Diode), und der Strom kann fließen. Diesem Druck, welcher im mechanischen Modell zum Überwinden der Federkraft notwendig ist, entspricht bei einer Diode die so genannte Schwellenspannung () oder minimale Vorwärtsspannung (engl. ), die in Flussrichtung an der Diode anliegen muss, damit sie in den leitenden Zustand übergeht. Bei gewöhnlichen Siliziumdioden liegt im Bereich von 0,6 bis 0,7 V.
Das Rückschlagventil verhält sich wiederum entsprechend der Shockley-Formel, die zur Beschreibung der Halbleiterdiode entwickelt wurde (siehe unten bei Ideale Diode). Die Formel eignet sich daher zur näherungsweisen Berechnung von Ventilen.
Elektrisches Verhalten
Die Analyse elektrischer Schaltungen erfordert eine mathematische Beschreibung der Diode. Hierfür gibt es die grafische Strom-Spannungs-Kennlinie, exakte Gleichungen und vereinfachte Modelle.
Formelzeichen
Die detaillierte Betrachtung einer Diode erfordert spezifische Formelzeichen. Die folgende Tabelle erleichtert hierbei die Übersicht.
Zeichen Beschreibung Spannung an der Diode Schleusenspannung (auch Schwellenspannung genannt), Diode leitet in Durchlassrichtung Flussspannung; Spannung an der Diode in Durchlassrichtung (engl. ).Entspricht (gleiches Vorzeichen); Verwendung teils identisch mit Sperrspannung; Spannung an der Diode in Sperrrichtung (engl. ).Entspricht (gedrehtes Vorzeichen) Durchbruchspannung (engl. ) Strom durch die Diode Sättigungssperrstrom ; Diffusionsstrom; Strom durch die Diode in Durchlassrichtung (engl. ) ; Leckstrom; Strom durch die Diode in Sperrrichtung (engl. ) Leck-Sättigungssperrstrom Durchbruchstrom; Strom durch die Diode beim (Rückwärts-)Durchbruch (engl. ) Emissionskoeffizient Temperaturspannung Bandabstandsspannung (engl. ) Bahnwiderstand; ohmscher Widerstand des Halbleitermaterials Differentieller Widerstand oder Arbeitspunkt Diodenkapazität Sperrschichtkapazität Diffusionskapazität
Zusätzlich sind die folgenden Naturkonstanten wichtig:
Zeichen Beschreibung Boltzmannkonstante Elementarladung
Statisches Verhalten Das statische Verhalten beschreibt eine Diode bei Gleichspannung und gilt auch näherungsweise für Wechselspannungen mit niedriger Frequenz, etwa 50 Hz Netzspannung, aber je nach Ausführung auch bis in den MHz-Bereich. Durch eine veränderte Spannung bedingte Umverteilungsvorgänge im p-n-Übergang bleiben unberücksichtigt.
Kennlinie mini|Strom-Spannungs-KennlinieHinweis: Die Maßstäbe sowohl für die Stromstärke als auch für die Spannung unterscheiden sich um Zehnerpotenzen im Durchlass- und im Sperrbereich Am anschaulichsten beschreibt die Strom-Spannungs-Kennlinie das statische Verhalten einer Diode. Die Kennlinie teilt sich dabei in drei Abschnitte: den Durchlassbereich, den Sperrbereich und den Durchbruchbereich.
Wie die Kennlinie zeigt, fließt im Durchlassbereich trotz anliegender kleiner Spannung kein merklicher Strom durch die Diode (bezogen auf in der Technik übliche Ströme). Erst ab einer Spannung von etwa 0,4 V beginnt bei Si-Dioden der Strom merklich anzusteigen. Ab etwa 0,6 V bis 0,7 V nimmt dann der Strom stark zu, und man spricht deswegen von der Schleusenspannung . Bei Schottky- und Germanium-Dioden fließt ein nennenswerter Strom bereits bei etwa 0,2 V und die Schleusenspannung liegt bei etwa 0,3 V bis 0,4 V.
Im Sperrbereich fließt ein sehr geringer Strom, der sogenannte Leckstrom . Dabei weisen Ge- und Schottky-Dioden wesentlich höhere Werte auf als Si-Dioden.
Je nach Dotierung beginnt bei Si-Dioden bei bzw. ab etwa −50 V bis −1000 V der Durchbruchbereich und die Diode wird in Sperrrichtung leitend. Dasselbe gilt für eine Schottky-Diode bei etwa −10 V bis −200 V. Diese Durchbruchsspannung wird mit positivem Vorzeichen angegeben. Durch spezielle Dotierungen werden bei Si-Dioden auch Durchbruchspannungen bis unter 5 V erreicht, was besonders bei Z-Dioden angewendet wird.
Ideale Diode / Shockley-Gleichung Wegen der Nichtlinearität werden Vereinfachungen verwendet, die das Verhalten nur näherungsweise wiedergeben, dabei aber eine leichtere Handhabung ermöglichen. Im einfachen Modell der Diode wird diese als ideales RückschlagventilLeonhard Stiny: Aktive elektronische Bauelemente: Aufbau, Struktur, Wirkungsweise, Eigenschaften und praktischer Einsatz diskreter und integrierter Halbleiter-Bauteile. 2. Auflage. Springer Vieweg, 2015, S. 72. angesehen oder als Schalter,Sebastian Dworatschek: Grundlagen der Datenverarbeitung. 2. Auflage. de Gruyter, 1989, S. 234.Ralph Weißel, Franz Schubert: Digitale Schaltungstechnik. Springer, 1990, S. 22 f. dessen Stellung von der Polung der angelegten Spannung abhängt. Die ideale Diode ist in der einen Richtung leitend ohne Spannungsabfall, in der Gegenrichtung sperrend ohne Leckstrom. Damit besteht die Kennlinie aus zwei Halbgeraden auf den Koordinatenachsen. In Gleichungsform wird die ideale Diode beschrieben
mini|Links: Kennlinie einer idealen DiodeDaneben: Stückweise lineare Kennlinie in verbesserter Annäherung an die nichtlineare Kennlinie einer realen DiodeRechts: Diodenmodell für diese Kennlinie {| | im Durchlassbereich durch || || bei || |- | im Sperrbereich durch || || bei|| |} Die Zustände und existieren in diesem Modell nicht.
mini|hochkant|Kennlinie einer Silizium-Diode im Durchlassbereich(gilt für 1N4001 bis 1N4007)
mini|Gemessene Kennlinien verschiedener Dioden in einfach logarithmischer Darstellung
Sollen die Schleusenspannung und der nicht sprunghafte Kennlinienverlauf in die Beschreibung des Verhaltens einbezogen werden, so wie das im Bild weiter unten gezeigt wird mit weiterhin linearer Näherung, wird eine erweiterte Ersatzschaltung verwendet gemäß nebenstehendem Bild.Thomas Mühl: Einführung in die elektrische Messtechnik: Grundlagen, Messverfahren, Geräte. 2. Auflage. Teubner, 2006, S. 100.Johann Siegl, Edgar Zocher: Schaltungstechnik: Analog und gemischt analog/digital. 6. Auflage. Springer Vieweg, 2018, S. 96.Reiner Herberg: Elektronik: Einführung für alle Studiengänge. Vieweg, 2002, S. 66. Die Richtungen von Stromstärke und Spannung sind so gewählt wie im Verbraucher-Zählpfeilsystem. Bei gleichen Vorzeichen der beiden Größen verhält sich diese Spannungsquelle als Besonderheit wie ein Verbraucher. Dieses zeigt sich in der Erwärmung der realen Diode.
Eine elektronische Schaltung, die beispielsweise zu Messzwecken die Funktion eines Gleichrichters wie eine ideale Diode übernimmt – ohne die Mängel der hohen Schleusenspannung und der nichtlinearen Kennlinie – wird unter Präzisionsgleichrichter beschrieben.
Der Wirklichkeit am nächsten kommt die Kennlinie der Diode im Durchlassbereich gemäß der Shockley-Gleichung (benannt nach William Bradford Shockley); sie ist ein Spezialfall der Arrhenius-Gleichung.
Sättigungssperrstrom (kurz: Sperrstrom) Emissionskoeffizient Temperaturspannung bei Raumtemperatur absolute Temperatur Boltzmann-Konstante Elementarladung
Bei entsteht ein relativer Fehler von < 1 %, wenn in der Klammer der zweite Summand weggelassen wird. Dann gilt
und die Kennlinie nach Shockley wird in einfach logarithmischer Darstellung eine Gerade.
Bei genauerer Betrachtung setzt sich der Diodenstrom aus dem Diffusionsstrom unter Berücksichtigung des Hochstromeffekts, dem Leckstrom und dem Durchbruchsstrom zusammen:
Temperaturabhängigkeit Die Diodenkennlinie variiert mit der Temperatur. In der Shockley-Gleichung sind zwei temperaturabhängige Terme enthalten:
Dabei sind der bei der Temperatur als bekannt vorausgesetzte Sperrstrom,Klaus Bystron, Johannes Borgmeyer: Grundlagen der Technischen Elektronik. Hanser, 1988, S. 48. die Bandabstandsspannung (). Für Silizium gilt . Diese Spannung dient (oft temperaturkompensiert) in der Bandabstandsreferenzschaltung zur Erzeugung von Referenzspannungen.
Zusätzlich muss man auch die Temperaturabhängigkeit der Spannung berücksichtigen:
Dieser Temperaturdurchgriff ist im relevanten Temperaturbereich um 300 K konstant genug, um damit anhand der etwa linearen Temperaturabhängigkeit der Flussspannung Temperaturmessungen vornehmen zu können.
Die Spannung von etwa 0,7 V kann in der Praxis tatsächlich für viele Überschlagsrechnungen als Wert der Flussspannung von Siliziumdioden und p-n-Übergängen angesetzt werden.
Diffusionsstrom