Diode
Einleitung
Bei der Diode handelt es sich um ein elektronisches Bauteil.
Es handelt sich dabei um ein Halbleiterbauteil. Sie besteht aus einem PN-Übergang. Schließt man an die Diode eine Quelle an, verhält sich diese kurzgesagt wie ein Ventil und lässt den Strom nur in eine Richtung durch.
Bauteil
Schaltzeichen
Kennlinie
Aufbau
Die Diode – das Bauteil
Bei der Diode handelt es sich um ein wichtiges Bauteil der Elektronik.
Es besitzt zwei Anschlüsse, links und rechts. In der Mitte ist das eigentliche Bauteil.
Baut man nun eine Diode in eine Schaltung ein, ist wichtig, wie rum man diese einbaut. (Anders als beim ohmschen Widerstand – hier ist es egal, wie herum man diesen einbaut).
Der eine Anschluss wird als Anode und der andere als Kathode bezeichnet.
Damit beim Bauteil auch klar ist, wo die Anode und wo die Kathode ist, wird mit einer Markierung die Kathode gekennzeichnet.
Schaltzeichen der Diode
Um die Diode auch in einer Schaltung zu verwenden, gibt es hier ebenfalls ein Schaltzeichen.
Das Schaltzeichen sieht wie unten gezeigt aus. Dabei gibt es zwei Anschlüsse. Der eine wird als Kathode bezeichnet, der andere als Anode.
Dabei sieht das Schaltzeichen ähnlich wie ein Pfeil aus und hilft somit beim schnellen Erkennen, ob die Diode richtig eingeplant ist. Der „Pfeil“ zeigt in die Richtung, in die der Strom durchgelassen wird.
Im unten stehenden Bild ist nochmal der Zusammenhang zwischen Bauteil, Schaltzeichen und innerem Aufbau (dazu später mehr) dargestellt.
Funktion der Diode
Die Aufgabe der Diode besteht darin, den Strom nur in einer Richtung durchfließen zu lassen.
Ähnlich wie bei einem Ventil. Wasser kann nur in eine Richtung durchfließen. Kommt das Wasser von der anderen Richtung blockiert das Ventil und es kann nicht weiter fließen.
Die Animation veranschaulicht dieses Prinzip. In der ersten Animation kommt das Wasser von links und durch den Mechanismus kann das Wasser ungehindert durchfließen.
Bei der rechten Animation kommt das Wasser von rechts. Der Mechanismus verhindert hier, dass das Wasser den Durchgang passieren kann.
Die Diode funktioniert mit dem selben Prinzip / Funktion allerdings entsprechend statt dem Wasser mit Strom. Der Strom kann nur in eine Richtung durchfließen. Man kann also zwei Betriebsarten unterscheiden.
Die Flussrichtung und die Sperrrichtung.
In der Flussrichtung verhält sich die Diode wie ein Kurzschluss / wie ein geschlossener Schalter. Es kann ungehindert Strom durch das Bauteil fließen.
Andersherum, in der Sperrrichtung, verhält sie sich wie ein großer Widerstand / ein offener Schalter. Dabei kann nur wenig Strom hindurch fließen.
Die Betriebsart ist abhängig von der angelegten Spannung bzw von der Polung der Spannungsquelle.
Durchflussrichtung: Schließt man den +Pol der Quelle an die Anode und den -Pol der Quelle an die Kathode, fließt Strom durch die Diode.
Sperrrichtung: Verbindet man den +Pol der Quelle mit der Kathode und den -Pol der Quelle mit der Anode, kann kein Strom fließen.
Ähnlich wie ein Trichter oder besser gesagt ein Ventil.
Halbleiter Aufbau
Wie bereits erklärt, handelt es sich bei der Diode um ein Halbleiterbauelement.
Sie besteht aus dotierten Halbleitern. Genauer gesagt, besteht sie aus einem PN-Übergang. Somit besteht sie aus einem p dotierten Halbleiter und einem n dotierten Halbleiter.
⇨ PN-Übergang
Nun ist natürlich interessant die Funktion auf Halbleiterebene zu betrachten.
Sie besteht aus einem PN-Übergang, sprich 2 dotierten Halbleitern.
Bei der n-Schicht gibt es einen Elektronenüberschuss, also frei bewegliche Elektronen. Zudem gibt es fest gebundene positive Ionen.
Bei der p-Schicht gibt es einen Löcherüberschuss also frei bewegliche Löcher. Zudem gibt es fest gebundene negative Ionen.
(Um die Übersichtlichkeit zu wahren, wird das Silizium-Gitter hier ausgeblendet.)
Wer hierbei nun noch nicht verstanden hat, was es mit der n und p Schicht auf sich hat oder was freie Elektronen und Ionen sind, sollte sich am besten das Video zum PN-Übergang bzw. besser das zur Dotierung anschauen.
⇨ Dotierung
⇨ PN-Übergang
Für eine Ausführliche Erklärung zum Verhalten auf Halbleiterebene gibt es folgenden Artikel:
⇨ Halbleiter – Diode
Durchlassrichtung / Flussrichtung
Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement, welches kurzgesagt den Strom nur in eine Richtung durchlässt.
Wird sie in Flussrichtung betrieben bedeutet, dass das die Diode so in der Schaltung liegt, dass der Strom entsprechend durchfließen kann.
Bei der Flussrichtung wird an den N-Halbleiter das niedrigere Potential angeschlossen und an den P-Halbleiter wird das höhere Potential angeschlossen. Vereinfacht gesagt wird an den N-Halbleiter der -Pol und an den P-Halbleiter der +Pol angeschlossen.
Hierdurch werden Elektronen aus dem -Pol in den N-Halbleiter geleitet. Der N-Halbleiter wird also mit Elektronen geflutet. Der +Pol flutet den P-Halbleiter mit Löchern. Es fließen also die Ladungsträger in den Halbleiter.
Somit wird die Raumladungszone (RLZ) von beiden Seiten mit Ladungsträgern geflutet.
Die Raumladungszone verkleinert sich. Sie wird abgebaut.
⇨ Durchlassrichtung / Flussrichtung
Sperrrichtung
Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement, welches kurzgesagt den Strom nur in eine Richtung durchlässt.
Wird sie in Sperrrichtung betrieben, bedeutet das, dass die Diode so in der Schaltung liegt, dass der Strom entsprechend nicht durchkommt.
Bei der Sperrrichtung wird an den N-Dotierten Bereich der +Pol der Spannungsquelle angeschlossen und an den P-Dotieren Bereich der -Pol.
Dadurch werden die freien Löcher des P-Dotieren Bereichs, von der Grenze weg, zum -Pol der Quelle gezogen.
Beim N-Dotierten Bereichs werden entsprechend die Elektronen, von der Grenze weg, zum +Pol der Quelle hingezogen.
Durch dieses Verhalten wird die Raumladungszone vergrößert.
⇨ Sperrrichtung
Kennlinie
Um das Verhalten der Diode konkret in Abhängigkeit der Spannung und des Stromes zu definieren bzw. nachzuvollziehen, wird das Verhalten in einer Kennlinie abgebildet.
Die Kennlinie bezieht sich auf Strom und Spannung. Im Konkreten zeigt die Kennlinie also das Widerstandsverhalten.
Hierbei kann auch die Funktion der besser visualisiert werden.
Die Kennlinie kann in 2 Bereiche unterteilt werden. Den Sperrbereich und den Flussbereich.
Im Flussbereich weist die Kennlinie ideal einen Exponentiellen Verlauf auf. Es gibt einen bestimmten Punkt, die sogenannte Durchlassspannung. Wird diese Spannung überschritten beginnt die Diode Strom zu leiten.
Wird in Sperrrichtung betrieben fließt ideal durch die Diode kein Strom. Das bedeutet: Liegt eine negative Spannung an, ist der Strom durch die Diode ideal bei 0A.
Natürlich kann aber auch nicht eine unendlich große Spannung angelegt werden, das Bauteil geht irgendwann kaputt. Deshalb gibt es einen bestimmten Grenzwert, ab welchem die Diode durchbricht – namensgebend die Durchbruchspannung.
Für konkretere Informationen bzw. Erklärung zur Kennlinie gibt es folgenden Artikel:
⇨ Diodenkennlinie
