Diodenkennlinie
Einleitung
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 Charakteristische Diodenkennlinie bezieht sich auf Strom und Spannung und wird in diesem Beitrag näher vorgestellt. Im Konkreten zeigt die Kennlinie also das Widerstandsverhalten einer Diode.
Hierbei kann auch die Funktion der Diode besser visualisiert werden.
Allgemeine Darstellung
Die Diode kann in 2 Richtungen betrieben werden. Man unterscheidet zwischen:
⇨ Flussrichtung
⇨ Sperrrichtung
Konkret hängt die Richtung von der Spannung ab, welche über der Diode anliegt. Gemessen wird die Spannung von Anode zur Kathode.
Ist die Spannung positiv, befindet sich die Diode in Flussrichtung, ist die Spannung negativ, befindet sich die Diode in Sperrrichtung.
Zur Erinnerung bzw. zum Vergleich: Die Richtung, in welche der ohmsche Widerstand verbaut wird, ist egal. Er funktioniert in beide Richtungen gleich. Bei der Diode ist das nicht so. Wie gesagt wird zwischen Flussrichtung und Sperrrichtung unterschieden.
Diese beiden, von der Spannung abhängigen Betriebsarten sind dementsprechend auch in der Kennlinie wiederzufinden.
Auf der X-Achse wird die Spannung wiedergegeben und auf der Y-Achse der Strom.
Liegt über der Diode eine positive Spannung an, befinden wir uns auf der rechten Seite der Kennlinie. Durch die Diode fließt ein Strom.
Liegt über der Diode eine negative Spannung an, befinden wir uns auf der linken Seite der Kennlinie. Die Diode sperrt.
Erklärung der Diodenkennlinie
Wie bereits erklärt, stellt die Diodenkennlinie die Spannung in Abhängigkeit des Stromes dar. Praktisch bedeutet dies: Wird eine bestimmte Spannung angelegt, dann über die Kennlinie ermittelt werden, welcher Strom durch die Diode fließt.
In einem unteren Abschnitt ist dies praktisch anhand eines Beispiels dargestellt.
Konkret bedeutet es also, dass die Kennlinie der Diode den Widerstandswert der Diode darstellt. Dieser Widerstand ist allerdings nicht konstant, sondern ändert sich, je nach angelegter Spannung. Was damit gemeint ist, wird im Folgenden näher erklärt.
Vergleich zum Widerstand
Auch dem ohmschen Widerstand kann eine Kennlinie zugeordnet werden, welche unten repräsentativ dargestellt ist.
Es ist zu sehen das die Kennlinie des Widerstands eine Grade bildet. D.h. wir haben eine konstante Steigung. Die Steigung ist der Wert des Widerstands in Ohm. Da dieser wie erklärt konstant ist, kann mithilfe des Ohm’schen Gesetz der Strom bzw. die Spannung einfach ermittelt werden.
⇨ Ohm’sches Gesetz
⇨ Kennlinie Widerstand
Bezug zur Diode
Die Kennlinie der Diode sagt eigentlich das gleiche aus. Nur kann hier das Ohmsche Gesetz nicht angewandt werden, da sich der Widerstand je nach Spannung bzw. Strom ändert.
Mithilfe der Kennlinie kann bei der Diode die Spannung gemessen werden und somit ermittelt werden, wie viel Strom durch die Diode fließt.
Kennlinie ablesen
Wird an die Diode eine bestimmte Spannung angelegt, kann über die Diodenkennlinie der Strom abgelesen werden, welcher durch die Diode fließt.
Hierzu wird, wie im unten dargestellten Bild gezeigt, vorgegangen. Liegt beispielsweise 1V über der Diode an, wird in diesem Punkt die Kennlinie markiert und der Strom, welcher hier wiedergegeben wird, abgelesen.
Aufbau / Aussage
Wie bereits erklärt, lässt sich die Diodenkennlinie in 2 Bereiche unterteilen. Den Sperrbereich und den Flussbereich. Im Folgenden soll nochmal der Verlauf der einzelnen Bereiche genauer untersucht werden.
Flussrichtung
In Flussrichtung 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. Dies ist auch gut in dem Verlauf der Kennlinie zu erkennen. Ab einer bestimmten Spannung nimmt der Strom schlagartig zu. Bei einer höheren Spannung hat bereits eine minimale Spannungsänderung starke Auswirkungen beim Strom.
Ist die Spannung über der Diode geringer als die Durchlassspannung, fließt kein Strom durch die Diode.
Sperrrichtung
In Sperrrichtung fließt ideal durch die Diode kein Strom. Das bedeutet: Liegt eine negative Spannung über der Diode an, ist der Strom durch die Diode ideal bei 0A.
Dies ist allerdings in der Praxis nicht der Fall. Hierzu im nächsten Abschnitt allerdings eine genauere Erklärung.
Natürlich kann aber auch nicht eine unendlich große Spannung angelegt werden, die Diode geht irgendwann kaputt. Deshalb gibt es einen bestimmten Grenzwert, ab welchem die Diode durchbricht – namensgebend die Durchbruchspannung.
Es gibt mehrere Effekte, warum die Diode durchbrechen kann. Im Folgenden sind diese Effekte und entsprechende Beiträge aufgelistet.
⇨ Lawinendurchbruch (Avalanche-Effekt)
⇨ Zener-Durchbruch (Tunnel-Durchbruch)
⇨ Thermischer Durchbruch
Die Kennlinie wird hier nochmal unterteilt in Sperrbereich und Durchbruchbereich.
Reale Kennlinie
In der Realität sieht die Diodenkennlinie nicht wie die ideale, vorgestellte Kennlinie aus. Es gibt Abweichungen. Tatsächlich sieht die Kennlinie wie in der unten dargestellten Abbildung aus.
Es ist zu sehen, dass der exponentielle Verlauf bei niedrigen und hohen Spannungen nicht eingehalten wird.
Bei hohen Spannungen wirkt die Hochinjektion und der Bahnwiderstand der Diode, wiederum bei niedrigeren Flussspannungen die Sperrschichtrekombination wirkt.
Wie bereits angesprochen, weicht auch in Sperrrichtung die Kennlinie in Realität vom Idealen ab. Ideal soll bei einer Diode in Sperrrichtung kein Strom durch die Diode fließen. In Realität fließt jedoch ein geringer Strom durch die Diode. Es handelt sich um den sogenannten Leckstrom oder auch Sperrstrom genannt.
⇨ Leckstrom
Unterschiedliche Materialien
Ja nach Material unterscheidet sich auch das Verhalten der Kennlinie. Dies ist auch im Verlauf der Kennlinie zu erkennen.
Wie im Bild zu erkennen, liegt bei der Silizium-Diode die Durchlassspannung bei 0,7V liegt und verläuft exponentiell. Der Durchbruchbereich ist erst bei hohen Sperrspannungen.
Die Germanium Diode hat schon bei 0,3V die Durchlassspannung und der Verlauf in Flussrichtung ist eher quadratisch. Der Sperrbereich liegt auch bereits bei niedrigeren Sperrspannungen.
