Dioden

Allgemein

Man unterscheidet Spitzendioden für die Gleichrichtung  sehr kleiner Wechselströme und Flächendioden.

In der Spitzendiodeberührt eine metallische Spitze die Halbleiterkristalloberfläche in einem Punkt. Der Berüh­rungspunkt ist die Sperrschicht-Grenzfläche. Die Kapazität ist niedrig, daher Verwendung in Hf-Kreisen.

Bei den Dioden in Glasgehäuse kennzeichnet ein weißer Farbring oder eine Farb­kappe die Lage der Katode, während den Keramikausführungen das Gleichrichter-­Schaltzeichen aufgedruckt ist: Spitze auf den katodenseitigen Anschluß gerichtet.Die Sperrschicht wird durch Diffusion oder Legieren künstlich erzeugt.

Dioden arbeiten in Sperrichtung, wenn der positive Pol der Spannungsquelle mit der Katode verbunden ist. Der entstehende Strom wird Sperrstrom genannt. Allgemein wird in der Halbleiterphysik unter Sperrstrom der Minoritätsträgerstrom (in einer Sperrschicht) verstanden. Die maximale Spannung in Sperrichtung, d.h. die maximale Sperrspannung, bestimmt bei Dioden die höchstzulässige Wechselspannung, die zur Vermeidung von Durchschlägen nicht überschritten werden darf.­

Der Sperrwiderstand ist der Widerstand in Sperrichtung. Unter Sperrsättigungsstrom wird ein Sperrstrom verstanden, der einen von der einen von der Sperrspannung unabhängigen Wert aufweist.

Dioden arbeiten in Durchlaßrichtung, wenn der negative Pol der Spannungsquelle mit der Katode verbunden ist. Der entsprechende Strom heißt Durchlaßstrom. Letzterer erzeugt am Durchlaßwiderstand einen Spannungsabfall, die sogenannte Durchlaßspannung.

Für Halbleiterdioden wird zu 90 % Germanium oder Silizium verwendet, auf die übri­gen 10 % entfallen Selen, Kupferoxidul oder Gallium-Arsenid. Dioden mit dem letzt­genannten Material werden für Spezialzwecke verwendet.

Obwohl alle Dioden praktisch Gleichrichter sind, wird diese letztere Bezeichnung im allgemeinen für Starkstrom-Einheiten benutzt.

Kenngrößen

Anlaufstrom

Das ist der zur Schleusenspannung gehörige Strom in Durchlaßrichtung

Bahnwiderstand

So nennt man den Widerstand zwischen den Elektrodenanschlüssen und der Sperrschicht.

Sperrschichtkapazität

Darunter versteht man die im Halbleiter auftretende Kapazität ohne Stromkapazität

Stromkapazität

Ist die mit dem Stromübergang in der Diode verknüpfte Kapazität. Sie kann bei Dioden die in Sperrichtung arbeiten vernachlässigt werden. Der Zahlenwert der Sperrschichtkapazität ändert sich umgekehrt proportional mit der Wurzel aus dem Zahlenwert der Sperrspannung.

Durchbruchspannung

Die Durchbruchspannung, ist die an einer Diode in Sperrichtung anliegende Spannung, bei welcher der eigentliche Durchbruch erfolgt. Durch den Herstellungsprozeß hat man es in der Hand, Dioden mit bestimmten Werten für die Durchbruchspannung. zu fertigen. Bei Germanium und Selen liegt dieser Wert bei maximal 30 V. Bei Silizium hingegen ist es durch einen bestimmten Fertigungsprozeß möglich, Durchbruchspannungen von über 1000 V zu erzielen.

Rückerholungszeit

(engl. Recovery-time) Beim Umschalten einer Diode von Sperrichtung in Durchlaßrichtung oder umgekehrt kommt, auf Grund der Trägheit der Ladungsträger, nicht sofort ein Stromfluß zustande.

Diese Zeitspanne nennt man Rückerholungszeit, die bei modernen Dioden nur wenige Nanosekunden beträgt. Das Umschalten einer Diode von Durchlaß- in Sperrichtung wird als Schaltzeit bezeichnet.

Diodenarten

Backward-Diode

(in deutscher Übersetzung: Rückwärtsdiode), eine Tunneldioden­art (siehe Tunneldiode) aus sehr hoch dotiertem Halbleitermaterial. Kennlinie siehe Tafelbild. Nach einem flachen Strommini­mum steigt die Kennlinie an und geht schließlich in die einer normalen Diode über. Wird der Anodenanschluß mit dem Katodenanschluß vertauscht, dann ergibt sich eine hohe Durchlaß-Steilheit, daher die Bezeichnung ,,Rückwärtsdiode'. Mit Back­ward-Dioden lassen sich kleinste Wechselspannungen gleichrichten. Sperrspan­nungen von etwa 500 Millivolt sind zulässig.

Doppeloiode,

Sind zwei in einem gemeinsamen Gebäude untergebrachte Selen-Einzel-dioden mit sehr hohem Sperrwiderstand (je nach den Erfordernissen in Serie oder gegeneinander geschaltet). Verwendet für Diskriminatoren zur automatischen Fre­quenznachstimmung von Zeilenablenkgeneratoren in Femsehempfängern (an Stelle von Einzeldioden).

Fotodiode.

Die Fotodiode ist eine Kristalldiode, deren Kennlinie sich unter Lichtein­fluß verändert. Germanium-Fotodioden bestehen aus stäbchenförmigen Kristallen von 1 mm Kantenlänge mit gezogenem pn-Übergang. Ihr metallisches Gehäuse ist an einem Ende mit einer kleinen Linse versehen, durch die das Licht auf den Kristall fällt. Der Übergang vom n ­in das p-Gebiet wird in Sperrichtung vorgespannt.

Dabei addieren sich Dif­fusionsspannung und angelegte Spannung. Die durch das einfallende Licht entste­henden Ladungsträger werden in verstärktem Maße in die Gebiete geringeren Po­tentials gezogen. Erhöhung des Sperrstroms der Diode. Die Summe aus dem ur­sprünglichen und dem durch die Lichteinwirkung erhöhten Sperrstrom ist der Hell-Strom. Der Sperrstrom bei normalem Diodenbetrieb wird Dunkelstrom genannt. Anwendungsgebiete: Lichtschranken, Dämmerungsschalter, Feuermelder, Lochkarten- und Lochstreifenabtastung usw. -Germanium-Fotodioden werden z.B. dort angewandt, wo der nachgeschaltete Ver­stärker einen hohen Eingangswiderstand hat (Fotodiode  Fotowiderstand).

Gallium-Arsenid-Diode.

Gallium-Arsenid ist ein Halbleitermaterial, das sich beson­ders für die Anwendung im Hochfrequenzgebiet eignet. Die Beweglichkeit der Elek­tronen im Gallium-Arsenid ist etwa viermal so groß wie im Silizium. Deshalb werden die Gallium-Arsenid-Dioden in besonders schnell schaltenden logischen Schaltun­gen verwendet.

Golddraht-Diode

Ist eine Spitzendiode mit kleiner Kapazität. Der pn-Übergang wird dadurch erzeugt, daß ein dotierter Golddraht durch einen Stromimpuls in das Halbleitermate­rial (Germanium) einlegiert wird. Die Rückerholungszeit ist sehr klein; in äußerst geringen Zeitabständen kann ein ver­hältnismäßig großer Strom fließen. -Golddraht-Dioden werden zum schnellen Schal­ten (elektronische Rechenmaschinen, Datenverarbeitung) verwendet.

Kapazitätsdiode

Die Breite der Raumladungszone ändert sich mit der angelegten Spannung; damit ändert sich auch die Kapazität an der Halbleiter-Sperrschicht. Im allgemeinen ist die Kapazitätsänderung unerwünscht, bei der Kapazitätadiode ist sie zweckdienlich. Die Kapazität läßt sich mit Hilfe einer Regelspannung ändern.

Da sich zwischen der p- und der n-Zone eine schlecht leitende Schicht befindet (ladungsträgerfreie Zone), wirkt die Anordnung als sperrspannungsabhängige Kapazi­tät. Durch das Anlegen einer Sperrspannung werden die positiven Ladungsträger zum negativen Pol und die negativen Ladungsträger zum positiven Pol der Span­nungsquelle hin abgesaugt, so daß die p- und n-Zonen mit anwachsender Spannung <Sperrschaltung) mehr und mehr an Ladungsträgern verarmen.

Anwendungsgebiete sind:

Automatische Nachstimmung im UKW- und UHF-Fernsehtuner, Modulation, Mischung, kapazitive Kopplung für Bankbreitenregelung, Teilung und Vervielfachung von hohen bis zu niedrigen Frequenzen.

Hochohmdiode

Ist eine Selendiode mit einem sehr hohen Sperrwiderstand. Sie findet ihren Einsatz als Zeilenfrequenz-Diskriminator in Fernsehgeräten.

Zenerdiode

Die Zehnerdiode ist eine in Sperrichtung betriebene Referenzdiode. Wenn die in Sperrichtung an eine Diode gelagerte Spannung einen kritischen Wert überschreitet, wird die Diode wieder durchlässig. Der Strom, der zunächst wenig ansteigt, erreicht nach dem Überschreiten der Grenzspannung hohe Werte.  Die Zenerspannung hängt von der Dicke der Sperrschicht ab. Durch entsprechende Dotierung des Kristalls kann sie auf jeden beliebigen Wert gebracht werden. Der Name dieser Diode ist auf Dr. Karl Zener zurückzuführen.

Anwendung: Stabilisierungs- und Begrenzungsaufgaben

Quellennachweis

Unterlagen aus dem 4.Jahrgang aus EMS (Prof. Schiftner)

Keywords: Diode Halbleiter Sperrschicht Silizium Germanium