Bahnwiderstand
Einleitung
Befindet sich die Diode in Flussrichtung, fällt über der Diode idealerweise nur die klassische Spannung ab, zur Überwindung der Raumladungszone. In Realität hat die Diode allerdings auch einen sogenannten Bahnwiderstand, welcher zum weiteren Spannungsabfall über der Diode sorgt.
Dieser Bahnwiderstand respektive der damit verbundene Spannungsabfall ist bei einem hohen Strom nicht mehr zu vernachlässigen.
Er ist auf den Widerstand in den Bahngebieten zurückzuführen und auf den Widerstand der Anschlüsse.
Erklärung – Bahnwiderstand
An die Diode wird eine Vorwärtsspannung angelegt. Hierdurch wird die Raumladungszone mit Ladungsträgern geflutet und verkleinert sich. Dies führt dazu, dass der Widerstand der Diode sinkt. Die Diode wird also leitender.
Dieses Verhalten zeigt unsere ideale Diodenkennlinie.
In Realität gibt es aber weitere Einflüsse bei der Diode, welche die Leitfähigkeit beeinflussen.
Einerseits haben die Halbleiterschichten an sich einen bestimmten Widerstand. Das bedeutet, die Bahngebiete weisen einen bestimmten Widerstand auf. Auch die Metall-Halbleiter-Übergänge der Diode haben einen bestimmten Widerstand.
Diese weiteren Widerstände, welche bei der Diode wirken, werden als sogenannter Bahnwiderstand zusammengefasst.
Der Bahnwiderstand wirkt wie ein zusätzlich in Reihe geschalteter Widerstand. Er verändert auch die ideale Diodenkennlinie. Später dazu mehr.
Dotierkonzentration
Je nach Dotierkonzentration unterscheidet sich der Widerstand des Halbleiters.
Eine niedrige Dotierkonzentration weist einen geringeren Widerstand auf. Hier sind wenig Ladungsträger verfügbar, somit leitet auch der Halbleiter entsprechend schlechter.
Andersherum weist ein Halbleiter mit hoher Dotierkonzentration einen hohen Widerstand auf. Der Halbleiter hat hier viele Ladungsträger und somit ist der Widerstand viel geringer – er leitet also besser.
Kennlinie – Bahnwiderstand
Wie oben gezeigt, bezieht sich die ideale Diodenkennlinie auf das Verhalten der Raumladungszone.
Wird entsprechend der Bahnwiderstand einbezogen, verändert sich die Diodenkennlinie. Insbesondere bei hohen Strömen ist dieser Widerstand nicht mehr zu vernachlässigen.
Wie zu sehen wäre die ideale Kennlinie in Flussrichtung (mit der hier exponentiell dargestellten Y-Achse) eine Gerade. In Realität ist diese aber bei niedrigen und hohen Spannungen abgeflacht.
Die Ursachen dafür sind vielseitig:
⇨ Hochinjektion
⇨ Bahnwiderstand
⇨ Sperrschichtrekombination
Wie bereits erklärt, fällt der Bahnwiderstand besonders bei hohen Strömen ins Gewicht.
Bei hohen Strömen überlagert sich der Effekt der Hochinjektion mit dem Effekt des Bahnwiderstand.
Gleichstromwiderstand & dynamischer Widerstand / Wechselstromwiderstand
Unabhängig von dem Bahnwiderstand, wird bei der Diode wird zwischen Gleichstromwiderstand und dynamischer Widerstand unterschieden.
Beim Gleichstromwiderstand wird der Strom und die Spannung am Arbeitspunkt abgelesen. Über das ohmsche Gesetzt wird dann der Widerstand ermittelt.
RD = UD / ID
Am Beispiel:
RD1 = 0,7V / 0,02A = 35Ohm
RD2 = 0,75V / 0,05A = 15Ohm
Für den dynamischen Widerstand wird an den Arbeitspunkt eine Gerade angelegt (Tangente). Die Steigung dieser Tangente ist der dynamische Widerstand / Wechselstromwiderstand.
rD = ΔuD / ΔiD
Am Beispiel:
rD1 = 0,05V / 0,03A =1,667Ohm
Berechnung – Bahnwiderstand
Zur Berechnung des Spannungsabfalls über der Diode wird zunächst die Spannung ideale Spannung errechnet, welche über der Diode abfällt. Hinzu kommt die Spannung, welche bedingt durch den Bahnwiderstand erzeugt wird. Diese kann einfach über das Ohm’sche Gesetz errechnet werden.
