Dioden, einfach erklärt!
Aufbau einer Diode
Die Halbleiterdiode besteht aus einer p- und einer n-Schicht, die in Harz gegossen ist. Wegen dem pn-Übergang ist eine Diode gepolt und sie lässt den Strom nur in eine Richtung fließen. Auf der Diode ist ein Ring aufgedruckt der die Kathode (n-Schicht) markiert.
Das Schaltzeichen besteht aus einem Dreieck, das ist die Anode (p-Schicht) und einem Balken der die Kathode (n-Schicht) symbolisiert. Die Spitze vom Dreieck zeigt die Durchlassrichtung für die technische Stromrichtung an.
Wenn man die Diode in Durchlassrichtung betreiben möchte, dann wird an der Anode der Pluspol angeschlossen. Will man sie in der Sperrrichtung betreiben, wird der Pluspol an die Kathode angeschlossen.
Typische Anwendung für Dioden sind Gleichrichtung von Spannungen und der Verpolungsschutz.
Der pn-Übergang in der Diode
Zum besseren Verständnis sehen wir uns den PN-Übergang anhand von ein paar unterschiedlichen Spannungen an einer Silizium-Diode an. Zur Erinnerung, bei einer Silizium-Diode ist die Durchlassspannung ~ 0,7 Volt.
Legen wir an die Anode den Pluspol und an die Kathode den Minuspol mit einer Spannung von 0,3 Volt an, dann wird der pn-Übergang etwas verkleinert. Wird die Spannung weiter auf 0,5 Volt erhöht, so wird dadurch der pn-Übergang weiter verkleinert. Legen wir die Durchlassspannung von 0,7 Volt an die Diode an, dann wird die Diode leitend und wir haben keine Sperrschicht mehr.
Wird die Spannung umgekehrt, also der Minuspool an die Anode und der Pluspol an die Kathode angeschlossen, so wird der pn-Übergang vergrössert. Diese Spannung können wir bis maximal zur Durchbruchspannung erhöhen, ansonsten wird die Diode zerstört.
Die Z-Diode
Die Z-Diode ist eine Silizium-Halbleiterdiode und sie besteht aus einer p- und einer n-Schicht, die dauerhaft in Sperrrichtung betrieben wird. Wird sie in Durchlassrichtung betrieben, funktioniert sie wie eine normale Diode.
Die wichtigste Kenngrösse bei Z-Dioden ist die klar definierte Durchbruchspannung UBR ab der die Diode den elektrischen Strom durchlässt und anders als bei normalen Dioden dabei nicht zerstört wird.
Über einen weiten Bereich von Stromstärken entspricht der Spannungsabfall an der Z-Diode genau der Durchbruchspannung. Um die Diode vor hohen Strömen und Überhitzung zu schützen, wird ein Vorwiderstand benötigt.
Eine typische Anwendung von Z-Dioden ist die Spannungsstabilisierung in Schaltungen mit kleinem Stromverbrauch, der Einsatz zur Spannungsbegrenzung von Spannungsspitzen oder als Referenzspannung in Schaltungen.
Zener-Diode und Avalanche-Diode
Das Z bei der Diode steht nicht für Zener, sondern symbolisiert den Verlauf der typischen Kennlinie einer Z-Diode. Zener-Dioden dürfen nur sogenannt werden, wenn die Durchbruchspannung bei 1,5 V bis 5 Volt liegt. Liegt die Durchbruchspannung darüber, spricht man von einer Avalanche-Diode.
Zener-Effekt:
Der Zener-Effekt wird durch das elektrische Feld ausgelöst, sobald die Durchbruchspannung erreicht ist. Dadurch werden Elektronen aus ihren Kristallbindungen der p-dotierten Schicht herauslöst und sie tunneln zu der n-dotierten Schicht. Dadurch entstehen freie Ladungsträger und es kommt zu einem Stromfluss in Sperrrichtung.
Avalanche oder Lawinen-Effekt:
Beträgt die Spannung über 5 Volt dominiert der Avalanche-Effekt oder auch Lawinen-Effekt genannt. Die Ladungsträger, die durch den Zener-Effekt frei wurden, werden durch das elektrische Feld sehr start beschleunigt und das führt dazu, dass weitere Elektronen aus ihren Kristallbindungen herausgelöst werden und in die Sperrschicht wandern. Auf dem Weg dorthin können sie weitere gebundene Ladungsträger herausschlagen und dadurch steigt in einem sehr kurzen Zeitraum die Stromstärke stark an.
Beide Effekte treten im Bereich von 5 Volt gleichzeitig auf. Unterhalb von 5 Volt dominiert der Zener-Effekt und oberhalb der Avalanche-Effekt.
Die Schottky Diode
Die Schottky Diode unterscheidet sich im Aufbau zu einer Silizium-Halbleiterdiode dadurch, dass die Anode kein p-dotierter Halbleiter ist, sondern eine kapazitätsarme Metallelektrode. Dadurch hat die Schottky Diode anstelle vom pn-Übergang einen Metal-Halbleiter-Übergang. Dieser an Elektronen verarmte Bereich wird als Schottky-Sperrschicht bezeichnet.
Schottky Dioden zeichnen sich durch einen geringen Spannungsabfall von ca. 0,4 Volt in Durchlassrichtung aus. Ein weiterer Vorteil ist das sehr schnelle Schalten vom Durchlassbereich in den Sperrbereich und umgekehrt, mit Schaltzeiten von ein bis drei Nanosekunden. Wegen der geringen Durchlassspannung und der kurzen Schaltzeit haben Schottky Dioden eine wesentlich geringere Verlustleistung gegenüber einer Silizium-Diode
Eingesetzt wird die Schottky Diode, wo schnelles Schalten erforderlich ist oder ein niedriger Spannungsabfall benötigt wird. Es gibt deswegen zwei Typen von Schottky Dioden, eine mit verringerter Leistungsaufnahme sowie eine mit extrem kurzen Schaltzeiten.
Die Leuchtdiode - LED
LED ist die Abkürzung für Light Emitting Diode, was so viel wie Licht emittierende Diode bedeutet. Sie sind eine spezielle Art von Diode, die elektrische Energie in Licht umwandelt. Sie haben fast identische elektrische Eigenschaften wie eine normale PN-Diode. Deswegen ähnelt das Symbol der LED der normalen PN-Diode, mit der Ausnahme, dass es Pfeile enthält, die von der Diode weg zeigen und anzeigen, dass die Diode Licht aussendet.
LEDs sind sehr weit verbreitet und es gibt eine große Vielfalt an Formen, Größen und Farben.
Der Aufbau einer LED unterscheidet sich stark von dem einer gewöhnlichen Diode. Der PN-Übergang einer LED ist von einer transparenten, starren Kunststoffhülle aus Epoxidharz umgeben.
Die Hülle ist so konstruiert, dass die von der Sperrschicht emittierten Lichtphotonen durch die gewölbte Oberseite der LED, die selbst wie eine Linse wirkt, nach oben fokussiert werden. Demzufolge erscheint das emittierte Licht oben auf der LED am hellsten.
Bei der LED hat die Anode einen längeren Anschluss als die Kathode und wenn man genau hinsieht, dann ist die Anode um einiges dünner als die Kathode.
Funktionsweise einer LED
Die LED hat eine sehr dünne p-Schicht mit grosser Löcherdichte und sie kann nur in Durchlassrichtung betrieben werden. Die freien Elektronen durchqueren den pn-Übergang und rekombinieren mit den Löchern. Da diese Elektronen von einem höheren auf ein niedrigeres Energieniveau fallen, strahlen sie Energie in Form von Photonen (Licht) ab. Da die p-Schicht sehr dünn ist, kann das Licht entweichen.
Leuchtdioden sind in einer breiten Palette von Farben erhältlich, die durch unterschiedliche Einsatz von Materialien im Halbleiterkristall erzeugt werden können.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Dioden, die aus Germanium oder Silizium bestehen, werden LEDs aus Elementen wie Gallium, Arsen und Phosphor hergestellt. Durch Mischen dieser Elemente in unterschiedlichen Anteilen können LEDs hergestellt werden, die verschiedene Farben ausstrahlen, wie in der folgenden Tabelle dargestellt.
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