Diode in Flussrichtung
Einleitung
Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement, welches kurzgesagt den Strom nur in eine Richtung durchlässt.
Wird eine Diode in Flussrichtung betrieben bedeutet, dass das die Diode so in der Schaltung liegt das der Strom entsprechend durchfließen kann. In diesem Artikel soll sich damit näher beschäftigt werden. Hierbei wird zunächst nochmal der allgemeine Betrieb der Diode kennengelernt. Danach schauen wir uns die Diode aus Halbleitersicht an und beobachten wie sich die Ladungsträger verhalten. Zum Schluss betrachten wir die Diodenkennlinie mit den verschiedenen Betriebsarten. Zum Schluss schauen wir uns die Effekte an, welche bei der Diode im Flussbetrieb auftreten.
Szenario
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.
Im Konkreten bedeutet das:
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 bessergesagt ein Ventil.
Flussrichtung aus Sicht des Halbleiter
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 RLZ von beiden Seiten mit Ladungsträgern geflutet.
Die Raumladungszone verkleinert sich. Sie wird abgebaut.
Insgesamt
Die Elektronen und Löcher rekombinieren in der RLZ. Durch die Pole der Quelle kommen neue Ladungsträger nach. Dieser Vorgang wiederholt sich und somit entsteht somit ein kontinuierlicher Stromfluss.
Flussspannung
Die Flussspannung wird die Spannung über der Diode bezeichnet, wenn sich diese im Flussbetrieb befindet.
Diodenkennlinie
In der unten dargestellten Abbildung ist die Diodenkennlinie abgebildet. Diese zeigt den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung durch die Diode.
Die Kennlinie kann in 3 Bereiche eingeteilt werden.
– Flussbereich
– Sperrbereich
– Durchbruchbereich
Eine Ausführliche Erklärung zur Diodenkennlinie:
⇨ Diodenkennlinie
Die Flussrichtung der Dioden liegt bei positiven Spannungen vor.
Effekte in Flussrichtung
Befindet sich eine Diode im Flussbetrieb können verschiedene Effekte auftreten. Diese werden im folgenden kurz erklärt.
Hochinjektion
Ausführliche Erklärung:
⇨ Hochinjektion
Bei der Injektion werden zwei Arten unterschieden. Die sogenannte schwache Injektion und die starke Injektion – auch Hochinjektion genannt.
Abhängig ist die Art von der Dotierkonzentration bzw. konkreter vom Dotierkonzentrationsgradienten beider dotierter Halbleiter. Also vom Unterschied der beiden Dotierkonzentrationen.
Sind beide Halbleiter ungefähr gleich stark dotiert kommt es nur zu einer schwachen Injektion. Sind allerdings beide Halbleiter stark unterschiedlich dotiert, kommt es zu einer Hochinjektion.
Wie bereits beschrieben, gehen vom jeweiligen Gebiet Majoritätsladungsträger in das benachbarte Gebiet über und werden dort zu Minoritätsladungsträger. Normalerweise kommen diese Minoritätsladungsträger nicht weit da sie schnell rekombinieren. Dennoch wird bei der Diode in Flussrichtung die Konzentration der Minoritätsladungsträgern an der Grenze der Raumladungszone erhöht.
Schwache Injektion
Hochinjektion
Bahnwiderstand
Ausführliche Erklärung:
⇨ Bahnwiderstand
Wird ein PN-Übergang in Flussrichtung betrieben, wird die Raumladungszone geflutet und somit abgebaut.
Im Idealfall verhält sich nun der PN-Übergang bzw. die Diode wie eine Leitung, welche ideal keinen Widerstand besitzt.
In Realität besitzt der PN-Übergang allerdings einen Widerstand. Dieser ist besonders bei hohen Strömen nicht mehr zu vernachlässigen.
Anders ausgedrückt führt der Bahnwiderstand zu einem Spannungsabfall über dem PN-Übergang.
