Alles über Dioden
Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement, das es dem Strom ermöglicht, sich in einer Richtung viel leichter zu bewegen als in der anderen. Die gebräuchlichste Art von Dioden in der modernen Schaltungstechnik ist die Halbleiterdiode, obwohl es auch andere Diodentechnologien gibt. Halbleiterdioden werden in schematischen Diagrammen wie der folgenden Abbildung symbolisiert. Der Begriff „Diode“ ist üblicherweise für Kleinsignalgeräte reserviert, I ≤ 1 A. Der Begriff „Gleichrichter“ wird für Leistungsgeräte verwendet, I > 1 A.
Halbleiterdioden-Schaltsymbol: Pfeile zeigen die Richtung des Stromflusses an.
Wenn die Diode in einem einfachen Batterie-Lampen-Schaltkreis eingesetzt wird, lässt sie je nach Polarität der angelegten Spannung entweder Strom durch die Lampe fließen oder verhindert ihn. (Abbildung unten)
Diodenbetrieb: (a) Stromfluss ist erlaubt; die Diode ist in Durchlassrichtung vorgespannt. (b) Stromfluss ist verboten; die Diode ist in Sperrichtung vorgespannt.
Wenn die Polarität der Batterie so ist, dass Strom durch die Diode fließen kann, wird die Diode als in Durchlassrichtung vorgespannt bezeichnet. Umgekehrt, wenn die Batterie „rückwärts“ gepolt ist und die Diode den Strom blockiert, wird die Diode als „in Sperrichtung vorgespannt“ bezeichnet. Eine Diode kann man sich wie einen Schalter vorstellen: „Sie ist „geschlossen“, wenn sie in Vorwärtsrichtung betrieben wird, und „offen“, wenn sie in Sperrichtung betrieben wird.
Die Pfeilspitze des Diodensymbols zeigt in die Richtung, in die der Strom normalerweise fließt. Diese Konvention gilt für alle Halbleiter, die in ihren Schaltplänen „Pfeilspitzen“ haben. Das Gegenteil ist der Fall, wenn der Elektronenfluss verwendet wird, wo die Stromrichtung gegen die „Pfeilspitze“ gerichtet ist.
Analogie zu hydraulischen Rückschlagventilen
Das Verhalten der Diode ist analog zum Verhalten einer hydraulischen Vorrichtung, die als Rückschlagventil bezeichnet wird. Ein Rückschlagventil lässt den Flüssigkeitsstrom nur in eine Richtung durch, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Hydraulisches Rückschlagventil in Analogie: (a) Stromfluss erlaubt. (b) Stromfluss verboten.
Rückschlagventile sind im Wesentlichen druckbetätigte Vorrichtungen: Sie öffnen sich und lassen einen Stromfluss zu, wenn der Druck über ihnen die richtige „Polarität“ hat, um das Ventil zu öffnen (in der gezeigten Analogie ist der Flüssigkeitsdruck auf der rechten Seite höher als auf der linken). Wenn der Druck die entgegengesetzte „Polarität“ hat, schließt der Druckunterschied über dem Rückschlagventil das Ventil und hält es fest, so dass kein Durchfluss stattfindet.
Wie Rückschlagventile sind Dioden im Wesentlichen „druckbetriebene“ (spannungsbetriebene) Geräte. Der wesentliche Unterschied zwischen Vorwärts- und Rückwärtsspannung ist die Polarität der an der Diode abfallenden Spannung. Schauen wir uns den zuvor gezeigten einfachen Batterie-Dioden-Lampen-Schaltkreis genauer an, wobei wir diesmal die Spannungsabfälle an den verschiedenen Komponenten in der folgenden Abbildung untersuchen.
Spannungsmessungen an Diodenschaltungen: (a) Vorwärts vorgespannt. (
Diodenkonfiguration in Vorwärtsrichtung
Eine in Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode leitet den Strom und lässt eine kleine Spannung über ihr abfallen, so dass der größte Teil der Batteriespannung über der Lampe abfällt. Wenn die Polarität der Batterie umgekehrt wird, wird die Diode in Sperrichtung vorgespannt und lässt die gesamte Batteriespannung abfallen, so dass keine Spannung an die Lampe gelangt. Wenn man die Diode als selbsttätigen Schalter betrachtet (in Vorwärtsrichtung geschlossen und in Rückwärtsrichtung offen), ist dieses Verhalten sinnvoll. Der größte Unterschied besteht darin, dass die Diode beim Durchschalten eine viel größere Spannung abgibt als ein durchschnittlicher mechanischer Schalter (0,7 Volt gegenüber einigen zehn Millivolt).
Dieser Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung, den die Diode aufweist, ist auf die Wirkung des Verarmungsbereichs zurückzuführen, der durch den P-N-Übergang unter dem Einfluss einer angelegten Spannung gebildet wird. Liegt an einer Halbleiterdiode keine Spannung an, so existiert um den Bereich des P-N-Übergangs ein dünner Verarmungsbereich, der den Stromfluss verhindert. (Abbildung unten (a)) Die Verarmungszone ist fast frei von verfügbaren Ladungsträgern und wirkt als Isolator:
Diodendarstellungen: PN-Übergangsmodell, schematisches Symbol, physisches Teil.
Das schematische Symbol der Diode ist in der Abbildung oben (b) so dargestellt, dass die Anode (zeigendes Ende) dem P-Halbleiter bei (a) entspricht. Der Kathodenstreifen (b) entspricht dem N-Typ-Material (a). Beachten Sie auch, dass der Kathodenstreifen auf dem physischen Teil (c) der Kathode auf dem Symbol entspricht.
Reverse Bias Diode Configuration
Wenn eine Sperrspannung über den P-N-Übergang angelegt wird, dehnt sich diese Verarmungszone aus und widersteht weiter jedem Strom durch sie. (Abbildung unten)
Der Verarmungsbereich dehnt sich bei Sperrvorspannung aus.
Vorwärtsspannung
Umgekehrt, wenn eine Vorwärtsspannung am P-N-Übergang angelegt wird, kollabiert der Verarmungsbereich und wird dünner. Der Widerstand der Diode gegenüber dem durchfließenden Strom wird geringer. Damit jedoch ein anhaltender Strom durch die Diode fließen kann, muss der Verarmungsbereich durch die angelegte Spannung vollständig kollabiert sein. Dazu ist eine bestimmte Mindestspannung erforderlich, die so genannte Vorwärtsspannung, wie in der Abbildung unten dargestellt.
Mit zunehmender Vorwärtsspannung von (a) auf (b) verringert sich die Dicke des Verarmungsbereichs.
Für Siliziumdioden liegt die typische Vorwärtsspannung bei 0,7 Volt, nominal. Bei Germaniumdioden beträgt die Vorwärtsspannung nur 0,3 Volt. Die chemische Zusammensetzung des P-N-Übergangs, aus dem die Diode besteht, ist für die nominale Vorwärtsspannung verantwortlich, weshalb Silizium- und Germaniumdioden so unterschiedliche Vorwärtsspannungen aufweisen. Der Vorwärtsspannungsabfall bleibt über einen weiten Bereich von Diodenströmen annähernd konstant, was bedeutet, dass der Spannungsabfall einer Diode nicht mit dem eines Widerstands oder sogar eines normalen (geschlossenen) Schalters vergleichbar ist. Für die meisten vereinfachten Schaltungsanalysen kann der Spannungsabfall über einer leitenden Diode als konstant bei dem Nennwert betrachtet werden und ist nicht von der Stromstärke abhängig.
Diodengleichung
Der Spannungsabfall in Durchlassrichtung ist in Wirklichkeit komplexer. Es gibt eine Gleichung, die den genauen Strom durch eine Diode beschreibt, wenn man die an der Sperrschicht abfallende Spannung, die Temperatur der Sperrschicht und mehrere physikalische Konstanten berücksichtigt. Sie ist allgemein als Diodengleichung bekannt:
Der Begriff kT/q beschreibt die Spannung, die im P-N-Übergang durch die Wirkung der Temperatur erzeugt wird, und wird als thermische Spannung oder Vt des Übergangs bezeichnet. Bei Raumtemperatur beträgt diese Spannung etwa 26 Millivolt. Mit diesem Wissen und unter der Annahme eines „Nicht-Idealitäts“-Koeffizienten von 1 können wir die Diodengleichung vereinfachen und wie folgt umschreiben:
Sie müssen mit der „Diodengleichung“ nicht vertraut sein, um einfache Diodenschaltungen zu analysieren. Man muss sich nur klarmachen, dass sich die Spannung, die an einer stromleitenden Diode abfällt, mit dem Strom ändert, der durch sie fließt, dass diese Änderung aber über einen breiten Strombereich relativ gering ist. Aus diesem Grund wird in vielen Lehrbüchern einfach gesagt, dass der Spannungsabfall an einer Halbleiterdiode konstant bei 0,7 Volt für Silizium und 0,3 Volt für Germanium liegt.
Es gibt jedoch Schaltungen, die absichtlich die exponentielle Strom-/Spannungsbeziehung des P-N-Übergangs ausnutzen und daher nur im Zusammenhang mit dieser Gleichung verstanden werden können. Da die Temperatur ein Faktor in der Diodengleichung ist, kann ein in Durchlassrichtung vorgespannter P-N-Übergang auch als Temperaturmessgerät verwendet werden und ist daher nur zu verstehen, wenn man diese mathematische Beziehung versteht.
In Sperrdiode
Eine in Sperrdiode vorgespannte Diode verhindert, dass Strom durch sie hindurchfließt, da der Verarmungsbereich erweitert ist. Tatsächlich kann eine sehr geringe Strommenge durch eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode fließen, die als Leckstrom bezeichnet wird, aber für die meisten Zwecke vernachlässigt werden kann.
Die Fähigkeit einer Diode, Sperrvorspannungen zu widerstehen, ist wie bei jedem Isolator begrenzt. Wenn die angelegte Sperrvorspannung zu groß wird, kommt es zum Durchbruch der Diode (siehe Abbildung unten), der in der Regel zerstörerisch ist.
Die maximale Sperrvorspannung einer Diode wird als Peak Inverse Voltage (PIV) bezeichnet und kann beim Hersteller erfragt werden. Wie die Vorwärtsspannung variiert auch die PIV einer Diode mit der Temperatur, nur dass die PIV mit steigender Temperatur zunimmt und abnimmt, wenn die Diode kühler wird – genau das Gegenteil der Vorwärtsspannung.
Diodenkurve: zeigt den Knick bei 0,7 V Vorwärtsspannung für Si und Durchbruch in Sperrichtung.
Typischerweise beträgt der PIV-Wert einer allgemeinen „Gleichrichter“-Diode mindestens 50 Volt bei Raumtemperatur. Dioden mit PIV-Werten von mehreren Tausend Volt sind zu bescheidenen Preisen erhältlich.
ÜBERSICHT:
- Eine Diode ist ein elektrisches Bauteil, das als Einwegventil für Strom fungiert.
- Wenn eine Spannung über eine Diode angelegt wird, so dass die Diode Strom durchlässt, spricht man von einer Durchlassdiode.
- Wenn die Spannung an einer Diode so angelegt wird, dass die Diode keinen Strom durchlässt, spricht man von einer in Sperrichtung vorgespannten Diode.
- Die Spannung, die an einer leitenden, in Durchlassrichtung vorgespannten Diode abfällt, wird als Durchlassspannung bezeichnet. Forward voltage for a diode varies only slightly for changes in forward current and temperature, and is fixed by the chemical composition of the P-N junction.
- Silicon diodes have a forward voltage of approximately 0.7 volts.
- Germanium diodes have a forward voltage of approximately 0.3 volts.
- The maximum reverse-bias voltage that a diode can withstand without „breaking down“ is called the Peak Inverse Voltage, or PIV rating.
RELATED WORKSHEETS:
- Rectigying Diodes Worksheet
- PN Junctions Worksheet