Diode in Sperrrichtung
Einleitung
Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement, welches kurzgesagt den Strom nur in eine Richtung durchlässt.
Wird eine Diode in Sperrrichtung betrieben bedeutet, dass das die Diode so in der Schaltung liegt das der Strom entsprechend nicht durchkommt. 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 Sperrbetrieb 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.
Sperrrichtung aus Sicht des Halbleiter
Nun soll im Folgenden das Verhalten einer Diode in Sperrrichtung aus Halbleiter-Sicht analysiert werden.
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.
Mit steigender Sperrspannung vergrößert sich auch die Raumladungszone. Unten ist der Zusammenhang zwischen elektrischem Feld und der Raumladungszone zu sehen.
Die Raumladungszone darf aber auch nicht über die gesamte Diode gehen. Ansonsten verliert die Diode ihre Sperrwirkung. Wenn es keine Ladungsträger mehr in der Diode gibt, können Ladungsträger von außen die Diode ungehindert durchqueren.
Siehe PIN-Diode: ⇨ PIN-Diode
Es gibt auch einen kritischen Bereich für die Sperrspannung. Sie darf nicht zu groß werden. Ansonsten bricht die Diode durch (Durchbruchbereich). (Unten hierzu mehr)
Sperrspannung
Die Sperrspannung wird die Spannung über der Diode bezeichnet, wenn sich diese im Sperrbetrieb befindet.
Dabei fällt die Sperrspannung entsprechend über dem PN-Übergang bzw zwischen der Raumladungszone / Sperrschicht ab.
In der unten dargestellten Diodenkennlinie ist die Sperrspannung die Spannung im negativen Bereich.
Hier sieht man auch, dass der Strom über einen langen Sperrspannung Bereich ziemlich konstant ist (solange bis die sogenannte Durchbruchspannung erreicht ist, bei welcher die Diode durchbricht).
⇨ Durchbruch der Diode
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 Sperrrichtung der Dioden liegt bei negativen Spannungen vor. Wie zu sehen, kommt es bei einer zu hohen Sperrspannunng zum Durchbruch der Diode.
⇨ Durchbruch der Diode
Durchbruchbereich
Ist die Sperrspannung aber zu hoch, kann die Diode durchbrechen. Ab der sogenannten Durchbruchspannung befindet sich die Diode im Durchbruchbereich.
⇨ Durchbruchbereich
⇨ Durchbruchspannung
Der Durchbruchbereich ist bei der Diode ein kritischer Bereich. Die normale Diode sollte nicht in diesem Bereich betrieben werden. Es kann zur Zerstörung der Diode führen.
Für den Durchbruch sind 2 Effekte verantwortlich:
Lawinendurchbruch (Durchbruch 1. Art)
⇨ Lawinen-Effekt (Avalanche-Effekt): Ladungsträger des Sperrstroms werden stark beschleunigt. Es kommt zur Stoßionisation. (Unten ausführlicher erklärt)
⇨ Zener-Durchbruch (Tunnel-Durchbruch): Elektronen tunneln durch schmale Sperrschicht. (Unten ausführlicher erklärt)
Wärmedurchbruch (Durchbruch 2. Art)
⇨ Thermischer Durchbruch: Thermische Effekte erhöhen Sperrstrom. Es kommt zur Kettenreaktion. (Unten ausführlicher erklärt)
Effekte in Sperrrichtung
Befindet sich eine Diode im Sperrbetrieb soll im Idealfall kein Strom durch die Diode fließen. In Realität fließt aber dennoch ein kleiner Strom durch die Diode. Das ist der sogenannte Sperrstrom welcher auch als Leckstrom bezeichnet werden kann.
Ursache für den Leckstrom sind die Minoritätsladungsträger, welche sich durch Temperaturzuführung, im Halbleiter, bilden. Diese werden durch das angelegte elektrische Feld beschleunigt, wohingegen die Majoritätsladungsträger blockiert werden.
⇨ Leckstrom / Sperrstrom