Dioden

Dioden sind Bauelemente, durch die der Strom nur in eine Richtung fliessen kann. Sie werden daher häufig in Gleichrichterschaltungen eingesetzt. Die Bezeichnung Diode ist aus der griechischen Silbe 'di'= zwei und der Endung des Wortes 'Elektrode' zusammengesetzt.

Die Dioden werden aus Halbleiterwerkstoffen hergestellt. Diese Materialien haben spezifische Widerstände im Bereich zwischen den spez. Widerständen von metallischen und den spez. Widerständen von nichtmatallischen Isolatoren. Die wichtigsten Halbleitermaterialien sind Silizium und Germanium. Reines Silizium und reines Germanium haben unter normalen Bedingungen nur wenige freie bewegliche Elektronen. Daher sind sie als schlechte elektronische Leiter zu bezeichnen. Durch gezielte Verunreinigungen des reinen Ausgangsmaterials lassen sich aber Halbleiter herstellen, die einen Überschuss einer bestimmten Ladung besitzen. Durch diese Verunreinigung ist es möglich, Art, Anzahl sowie Beweglichkeit der Ladungsträger und damit auch den spezifischen Widerstand von Halbleitern zu variieren.

-Strom- und Spannungsmessung bei einer Halbleiterdiode-

Diese Halbleiterwerkstoffe werden entsprechend ihrem Leitungsmechanismus als n-Halbleiter (mit negativen Ladungsträgern) und p-Halbleiter (mit positiven Ladungsträgern) bezeichnet. Sowohl in den n-Halbleitern als auch in den p-Halbleitern hängt aber die Stromrichtung wie bei einem metallischen Leiter von der Polarität der angelegten Betriebsspannung ab. Wird jedoch ein n-Halbleiter mit einem p-Halbleiter stossstellenfrei zusammengefügt, so entsteht ein elektronisches Bauelement, durch das der Strom nur noch in eine Richtung fliessen kann, also eine Halbleiterdiode.

Die Hersteller von Halbleiterdioden geben zu jedem Diodentyp ein Datenblatt heraus, in dem die wichtigsten Kennwerte und Grenzwerte sowie mehrere Kennlinien enthalten sind. Grenzwerte dürfen auf keinen Fall überschritten werden, weil die Diode sonst zerstört wird und damit nicht mehr funktionsfähig ist. Kennwerte sind Daten, mit denen die Diode im normalen Einsatz betrieben werden soll. Diese Werte werden auch als charakteristische oder typische Kennwerte bezeichnet. Die Kenn- und Grenzwerte reichen aber nicht aus , um das Verhalten und die Eigenschaften der entsprechenden Diode bei den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen ausführlich genug zu beschreiben. Daher sind in jedem Datenblatt auch noch mehrere Kennlinien angegeben, in denen die gegenseitigen Abhängigkeiten von zwei oder drei Variablen dargestellt sind. Die Typenvielfalt ist bei den Hableiterdioden ausserordentlich gross. So gibt es Halbleiterdioden für Ströme von wenigen Milliampere, die dann aber besonders gut für einen Einsatz bei sehr hohen Frequenzen geeignet sind. Andererseits werden aber auch Leistunsdioden für Ströme von mehreren 1000 Ampere gefertigt. Schon hieraus ergeben sich zwangsläufig sehr unterschiedlich Bauformen von Dioden. Aber auch die Technologie und die Herstellungsverfahren der Dioden unterscheiden sich beträchtlich. So werden Spitzendioden für den Einsatz in Hochfrequenzschaltungen gefertigt. Flächendioden eignen sich dagegen wegen ihrer grösseren Eigenkapazitäten nur für niederfrequente Gleichrichterschaltungen. Die meisten der heute eingesetzten Dioden werden in Planartechnik hergestellt und lassen sich sowohl in Gleichrichterschaltungen als auch in Impullsschaltungen verwenden. Bei den grossen Leistungsdioden für Netzgleichrichter sind dagegen wieder andere Herstellungsverfahren notwendig.

Ausser den Halbleiterdioden für die Gleichrichtung und für Schaltbetrieb wurden aber auch noch eine Reihe von Halbleiterdioden mit speziellen Eigenschaften entwickelt, wie z.B. Z-Diode, Kapazitätsdiode, Schottky,-Diode, Tunneldiode, PIN-Diode, Fotodiode und Leuchtdioden.

Z-Dioden werden zur Konstanthaltung oder Stabilisierung von Gleichspannungen eingesetzt. Haupteinsatzgebiet der Kapazitätsdioden ist die Ab- oder Nachstimmung von Schwingkreisen. Sie sind heute in fast allen Geräten der Unterhaltungselektronik zu finden. Schottky-Dioden werden aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften als schnelle Schalter eingesetzt. Die Kennlinie von Tunneldioden weicht stark von den Kennlinien aller anderen Halbleiterdioden ab. Sie dient zur Schwingunserzeugung im Mikrowellenbereich. PIN-Dioden haben im Bereich von 10 MHz bis 1 GHz einen nahezu idealen ohmschen Widerstand. Aufgrund dieser Eigenschaft werden sie als regelbare Hochfrequenz-Abschwäche in Kanalwählern eingesetzt.

-Eigenleitfähigkeit-

Bei einem Reinheitsgrad von 10¹⁰ bilden die Siliziumatome ein Kristallgitter , beidem alle vorhandenen Valenzelektronen der Halbleiteratome zum Aufbau benötigt werden. Bei einem solchen störungsfreien Kristallgitteraufbau befinden sich im absoluten Nullpunkt von 0 K (Kelvin) alle Atome im Ruhestand und die an der Kristallbindung beteiligten Valenzelektronen sind fest an die benachbarten Atome gebunden. Daher sind keine freien Ladungsträger vorhanden. Die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials ist unter den  genannten Bedingungen gleich Null, und damit ist das Material ein absoluter Nichtleiter.

Wird einem solchen Halbleiterkristall jedoch Energie in Form von Wärme oder Licht zugefügt, so beginnen die Atome zu schwingen. Diese Schwingungen werden als thermisch Eigenbewegung der Atome bezeichnet. Durch die Schwingungen vergrössert sich der Abstand zwischen Atomkern und Valenzelektronen. Die Bindekraft zwischen Kern und Elektronen wird kleiner. Aus diesem Grund können einige Valenzelektronen aus der Kristallbindung herausspringen und werden damit zu freien Elektronen. Wird jetzt eine Spannung an den Kristall gelegt, so ist infolge des elektrischen Feldes ein Stromfluss im Kristall.
An der Stelle, an der ein Valenzelektron aus seiner ursprünglichen Bindung herausgesprungen ist, fehlt jedoch eine negative Ladung. es bleibt daher im betreffenden Atom eine positive Ladung zurück, die als 'Defektstrom' oder kurz als 'Loch' bezeichnet wird. Das Entstehen eines freien Elektrons und eines Loches wird als 'Generation' oder 'thermische Paarbildung' bezeichnet. Bei ständiger Energiezufuhr werden fortlaufend Elektronen frei. Sie wandern auf scheinbar regellosen Bahnen durch den Kristall, bis sie auf ein Loch treffen und dort wieder in einen festen Atomverband zurückspringen. Dieser Vorgang wird 'Rekombination' genannt.

Beim Anlegen einer Spannung entsteht im Halbleiterkristall ein elektrisches Feld. Dadurch werden die Elektronen, die aufgrund der thermischen Paarbildung frei geworden sind, zum Pluspol der Spannungsquelle gezogen. Sie springen auf ihrem Weg dahin immer von einem Loch zum anderen. Damit wandern die Löcher aber scheinbar vom Pluspol der Spannungsquelle zum Minuspol.

Die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters, die allein aufgrund der thermischen Paarbildung entstanden ist, wird als 'Eigenleitfähigkeit' oder 'Intrinsicleitfähigkeit' (intrinsic = im Innern) bezeichnet.

In jedem Halbleitermaterial stehen also zum Ladungstransport sowohl Elektronen als auch Löcher zur Verfügung. Dieser bioplare Leitungsmechanismus ist im folgenden Bild beschrieben

-Dotierung von Halbleitern -

n-Halbleiter:

Durch Dotieren eines Halbleiterkristalls mit 5-wertigen Atomen (z.B. Arsen) entsteht ein n-Halbleiter. Das fünfte Valenzelektron des Arsenatoms wird zu einem Leitungselektron (Majoritätsträger), das ortsfeste Arsenatom zu einem positiven Ion.

p-Halbleiter:

Durch Dotieren mit 3-wertigen Atomen (z.B. Indium) entsteht ein p-Halbleiter. Das Indium entreißt ein Elektron, so dass ein Loch (Majoritätsträger) entsteht.

-Der pn-Übergang - Die Halbleiterdiode-

Fügt man einen n-Halbleiter und eine p-Halbleiter aneinander, so erhält man eine Halbleiterdiode. In der Grenzschicht des pn-Übergangs entsteht eine Verarmungszone von Majoritätsträgern; diese wirkt wie ein Hochohmwiderstand.

-Die Halbleiterdiode als Schaltelement-

Versuch:

Eine Halbleiterdiode, ein Glühlämpchen und ein Strommessgerät werden zunächst wie in Abb. A) und dann wie in Abb. B) geschaltet.

b)         Es fließt kein Strom, wenn die n-dotierte Seite am Pluspol angeschlossen ist (Schaltung in Sperrrichtung).

b) Es fließt Strom, wenn die n-dotierte Seite mit dem Minuspol verbunden ist (Schaltung in Durchlassrichtung).

Erklärung:

Liegt die n-dotierte Seite am Pluspol, so wandern Elektronen und Löcher wegen des el. Feldes jeweils nach aussen. Die Übergangszone verbreitet sich, es fließt nur ein geringer Strom. Liegt die n-dotierte Seite am Minuspol, so wandern die Majoritätsträger in die Übergangszone. Der pn-Übergang wird dadurch leitend.

Zusammenfassung:

Der pn-Übergang hat Ventilwirkung. Er sperrt den Stromdurchgang, wenn der Minuspol der Spannungsquelle am p-Leiter liegt, er ist leitend (stromdurchlässig), wenn der Pluspol am p-Leiter liegt.

-Kennlinie einer Halbleiterdiode-

Versuch:

Wir untersuchen die Abhängigkeit des Diodenstroms von der angelegten Spannung

Kennlinie der Diode

Die Stromstärke steigt ab einer bestimmten Spannung U, der Schleusenspannung steil an. Bei einer Umpolung ist die Stromstärke verschwindend klein (Sperrbereich).

-Der Transistor-

Der Transistor besteht aus drei Halbleiterschichten, wobei die beiden äußeren gleich dotiert und durch eine sehr dünne (ca. 1/100 mm), entgegengesetz dotierte Schicht, getrennt sind. Die äußeren Schichten heißen Emitter E und Kollektor C, die mittlere Schicht wird Basis B genannt. es gibt pnp- und npn-Transistoren.

Wird an einen Transistor eine Spannung angelegt, so entsteht zwischen Basis und Kollektor eine Sperrzone, Emitter und Basis sind in Durchlassrichtung geschaltet.

Legt man an den Emitter und an die Basis (Pluspol) eine Spannung an, so können Elektronen durch die B/C-Schicht diffundieren, es fließt ein Basisstrom und ein Kollektorstrom.

-Der Transistor als Verstärker-

Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Basisstrom I_B und Kollektorstrom I_C:

Versuch:

Gemessen wird der Kollektorstrom I_C bei konstanter Kollektorspannung U_CE in Abhängigkeit vom Basisstrom I_B.

Ergebnis:

Im untersuchten Bereich ist die Anderung des Kollektorstroms zur Anderung des Basisstroms direkt proportional.

-Der Transistor als Schalter-

Versuch:

Schließt man den Steuerstromkreis (Basisstromkreis), so leuchtet die Lampe im Arbeitsstromkreis (Kollektorstromkreis).

Der Transistor wirkt beim Schließen bzw. Öffnen des Steuerstromkreises als Ein- bzw. Ausschalter für ein elektrisches Gerät im Arbeitsstromkreis. Statt eines mechanischen Schalters im Steuerstromkreis wird oft eine Fotodiode (el. Widerstand nimmt mit der Helligkeit ab) verwendet.

Transistoren finden in der Elektronik fast überall Anwendung. Durch ihre winzigen Abmessungen, ihre lautlose, wartungs- und verzögerungsfreie Arbeitsweise haben sie die Elektronik revolutioniert.