Dioden

Eine Diode ist wie eine Einbahnstraße für elektrischen Strom. Werfen wir einen Blick auf dieses einfache Halbleiterbauelement.

Dioden

Im letzten Tutorial haben wir uns das Herzstück fast aller Halbleiterbauelemente angesehen: den p-n-Übergang. Wir haben uns die Prozesse angesehen, die an diesem Übergang ablaufen und ihn zu einer Einbahnstraße für den elektrischen Strom machen. Zwischen den unterschiedlich dotierten Bereichen des Siliziums bildet sich eine Barriere. In Durchlassrichtung schrumpft die Barriere, und wenn die Durchlassspannung überschritten wird, kann ein Strom durch den p-n-Übergang fließen. In umgekehrter Richtung nimmt die Größe der Barriere zu, sodass bis auf einen geringen Leckstrom kein Strom fließen kann.

Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement mit zwei Anschlüssen, das den Strom nur in eine Richtung leitet. Früher wurde dies mithilfe von Vakuumröhren realisiert. Heute verwenden wir Halbleiterdioden, die das gleiche unidirektionale Leitfähigkeitsverhalten mit einem p-n-Übergang erreichen können. Da dieses Verhalten die Gleichrichtung von Wechselstrom erlaubt, spricht man in der Regel von Gleichrichtung statt von unidirektionalem Leitfähigkeitsverhalten. Wir werden die Verwendung von Dioden in Gleichrichtern und anderen Anwendungen in einigen der kommenden Tutorials betrachten, aber konzentrieren wir uns zunächst auf die Grundlagen.

Oben links im untenstehenden Bild ist das für Dioden in Schaltplänen verwendete Symbol dargestellt. Es besteht aus einem Dreieck, das in die Richtung des konventionellen Stromflusses zeigt. Die Diode leitet nur, wenn man + mit dem p-dotierten Bereich und - mit dem n-dotierten Bereich der Diode verbindet. Wenn die Diode in Durchlassrichtung betrieben wird, leuchtet die Lampe in der gezeigten Beispielschaltung. Im Falle einer in Sperrrichtung gepolten Diode kann kein Strom fließen und die Lampe bleibt dunkel.

Die Diodenanschlüsse werden üblicherweise als Anode und Kathode bezeichnet. Diese Begriffe sind in der Elektrochemie und auch für Vakuumröhren gebräuchlich. Da dir diese Begriffe möglicherweise nicht geläufig sind, möchte ich sie dir kurz erklären. Die Anode ist immer die Elektrode, die Elektronen aus dem umgebenden Medium aufnimmt. Im Falle einer Diode entspricht diese der p-dotierten Seite, die die den p-n-Übergang passierenden Elektronen aufnimmt. Die Kathode ist die Elektrode, die diese Elektronen liefert. Im Falle unserer Halbleiterdiode ist dies der n-dotierte Bereich der Diode. Um zwischen der Anode und der Kathode einer Diode zu unterscheiden, ist die Kathode normalerweise mit einem Streifen markiert. Bei Leuchtdioden ist es üblich, die Kathode mit einer Abflachung im Kunststoffgehäuse zu kennzeichnen.

Verschiedene Arten von Dioden

Werfen wir einen Blick auf die verschiedenen Arten von Dioden. Hier sind einige der wichtigsten:

• Signaldioden
• Gleichrichterdioden
• Schottky-Dioden
• Zener- und Avalanche-Dioden
• Fotodioden und Solarzellen
• Leuchtdioden (LEDs)

Die Unterschiede zwischen den Arten liegen in der Konstruktion, den Materialien, aus denen sie gebaut werden, und dem Dotierungsgrad des Halbleitermaterials. In diesem Tutorial werden wir uns auf die ersten drei Typen konzentrieren, die diejenigen sind, an die man typischerweise denkt, wenn man über die Dioden spricht.

Der Unterschied zwischen den ersten beiden Arten besteht hauptsächlich in der Größe des p-n-Übergangs. Die Unterschiede bestimmen die elektrischen Eigenschaften dieser Dioden und damit die Anwendungsfälle, für die sie geeignet sind. Schottky-Dioden sind etwas spezieller, aber darauf kommen wir später noch zu sprechen. Werfen wir zunächst einen Blick auf die Parameter, die eine Diode charakterisieren. Dies wird uns helfen, die Unterschiede zwischen Signal- und Gleichrichterdioden und die wichtige Rolle der Schottky-Dioden zu verstehen.

Kenndaten von Dioden

Das Bild unten zeigt ein Beispiel für die I-U-Kennlinien von typischen Halbleiterdioden. Werfen wir einen Blick auf die wichtigen Parameter, die zur Beschreibung des Verhaltens einer Diode herangezogen werden können.

Durchlassspannung

Der erste wichtige Parameter ist die sogenannte Durchlass- oder Flussspannung \(U_F\). Wie wir im Tutorial über den p-n-Übergang gelernt haben, ist dies die Spannung, bei der eine in Durchlassrichtung betriebene Diode zu leiten beginnt. Hier gibt es Interpretationsspielraum, welcher Strom fließen muss, bevor die Diode als leitend bezeichnet wird. Es fließt fast immer ein sehr kleiner Leckstrom, auch in umgekehrter Richtung. Dies ist nicht das, was man unter leitender Diode versteht. Die genaue Testbedingung sollte im Datenblatt der Dioden angegeben werden. Viele Multimeter, die über einen Diodentester verfügen, liefern die Spannung, die für einen Stromfluss von 1 mA erforderlich ist. Die Datenblätter kleinerer Dioden geben normalerweise die Flussspannung an, die für einen Stromfluss von 10 mA durch die Dioden erforderlich ist. Bei größeren Dioden ist es sogar möglich, dass die Flussspannung für einen Strom von 1 A oder mehr angegeben wird. Die Flussspannung ist nicht konstant und hängt vom Stromfluss und von der Temperatur ab. Für Details und für einen Vergleich zwischen verschiedenen Dioden sollte man die detaillierteren Diagramme aus dem Datenblatt der Dioden nutzen.

Im Allgemeinen sind die Durchlassspannungen von Dioden einander ziemlich ähnlich, da sie hauptsächlich durch das in der Diode verwendete Halbleitermaterial bestimmt werden. Bei Silizium beträgt die Durchlassspannung normalerweise etwa 0,6 V - 0,7 V für einen Strom von 10 mA. Die älteren Germaniumdioden haben eine niedrigere Durchlassspannung von 0,3 V bei 10 mA. Eine solche Germaniumdiode ist im nachfolgenden Bild dargestellt.

Germaniumdioden werden nicht mehr verwendet, da sie den Nachteil haben, dass ihr Verhalten eine hohe Temperaturabhängigkeit aufweist. Sie wurden lange Zeit vor allem in Hochfrequenzanwendungen eingesetzt. Mittlerweile sind sie weitestgehend durch Schottky-Dioden ersetzt worden. Schottky-Dioden haben keinen p-n-Übergang, sondern einen Metall-Halbleiter-Übergang. Ihre Durchlassspannung beträgt nur 0,2 V - 0,3 V bei 10 mA Strom. Dies ist ein Punkt, der sie zu einem geeigneten Ersatz für Germaniumdioden macht.

Leckstrom in Sperrrichtung

Wie im Tutorial über den p-n-Übergang besprochen und in den I-U-Kennlinien gezeigt, kann ein kleiner Leckstrom fließen, selbst wenn die Diode in Sperrrichtung gepolt ist. Bei normalen Dioden ist dieser Leckstrom sehr klein. In Datenblättern kann man normalerweise den genauen Wert als Sperrstrom \(I_R\) finden. Ein typischer Wert sind einige wenige Mikroampere.

Zulässige Höchstwerte

Ähnlich wichtig wie die Durchlassspannung sind die zulässigen Maximalwerte. Der maximale kontinuierliche Vorwärtsstrom \(I_F\) gibt den maximalen Strom an, der über einen längeren Zeitraum durch die Diode fließen kann, ohne dass der p-n-Übergang beschädigt wird. Je größer die Sperrschichtfläche ist, desto höher kann der maximale Strom sein. Es ist wichtig, auch einen weiteren eng verwandten Parameter zu betrachten: die maximale Verlustleistung. Die Diode erwärmt sich, wenn ein Strom durch sie fließt. Die Gesamtverlustleistung \(P_{tot}\) einer Diode kann berechnet werden, indem der Vorwärtsstrom mit der Flussspannung multipliziert wird:
\(P_{tot} = U_F \cdot I_F\)

Um dies korrekt zu berechnen, muss man sich die im Datenblatt angegebenen Diagramme ansehen, da die Vorwärtsspannung zu einem gewissen Grad vom Strom abhängig ist. Deshalb wird für Hochstromdioden die Vorwärtsspannung für einen Strom von 1 A angegeben. Dies ermöglicht eine realistischere Berechnung der Verlustleistung, wenn man nur den gegebenen Wert verwendet und nicht auf die Diagramme schaut. Die maximale Verlustleistung sollte nicht überschritten werden, da sonst die Gefahr einer thermischen Zerstörung des p-n-Übergangs besteht. Es gibt noch andere Parameter wie die Umgebungstemperatur und die Luftbewegung, die beeinflussen, wie gut sich die Wärme ausbreitet und abgeführt werden kann. Damit dies in den Berechnungen berücksichtigt werden kann, sind im Datenblatt zusätzliche thermische Kennwerte angegeben. Für einfache Projekte lohnt es sich eher nicht, komplexe Temperaturberechnungen durchzuführen. Mein Rat ist, einfach mit einer ausreichend hohen Sicherheitsreserve zu planen.

Wenn wir uns die I-U-Kennlinie ansehen, sehen wir, dass es einen weiteren wichtigen Parameter gibt: die Durchbruchspannung \(U_{BR}\). Sie gibt an, wie hoch die angelegte Sperrspannung sein kann, bevor ein Durchbruch auftritt. Bei Niederspannungsanwendungen spielt die Durchbruchspannung in der Regel keine Rolle, man wird sie ohnehin nicht überschreiten. Für Schaltungen mit Netzspannung wie Gleichrichter wird sie jedoch wichtig. Es versteht sich von selbst, dass man nicht mit der Netzspannung experimentieren sollten, wenn man kein ausgebildeter Elektrotechniker ist. Ich werde das auch nicht tun. Wenn wir uns aber Avalanche- und Zenerdioden anschauen, wird die Durchbruchspannung wieder wichtig, denn sie sind speziell für niedrige Durchbruchspannungen und für den Einsatz in Sperrrichtung ausgelegt. Die Sperrspannung \(U_R\) gibt den Spannungsabfall über der Diode an, wenn sie in Sperrrichtung oberhalb der Durchbruchspannung betrieben wird. Bei normalen Dioden ist die Sperrspannung wesentlich höher als die Flussspannung. Dadurch ist es sehr einfach, die maximale Verlustleistung auch schon bei kleinen Strömen in Sperrichtung zu überschreiten.

Schaltverhalten

Wenn Dioden in Wechselstromkreisen oder Schaltungen mit hoher Schaltfrequenz eingesetzt werden, wird auch das Frequenzverhalten von Dioden wichtig. Ich werde hier nicht ins Detail gehen, aber für Hochfrequenzanwendungen ist eine niedrige Sperrschichtkapazität \(C_j\) erforderlich. Die Sperrschichtkapazität nimmt mit der Sperrschichtgröße zu. Wichtiger als die Sperrschichtkapazität ist die sogenannte Sperrerholzeit \(t_{rr}\), die ebenfalls mit der Sperrschichtgröße zunimmt. Wenn die Richtung der angelegten Spannung von der Vorwärtsrichtung zur Sperrrichtung wechselt, dauert es einige Zeit, bis der Stromfluss zum Stillstand kommt. Der Grund dafür liegt in der Art und Weise, wie der Ladungstransport an der Sperrschicht funktioniert. Es gibt immer noch einige injizierte Minoritätsladungsträger, die bisher noch nicht rekombiniert sind und für eine begrenzte Zeit einen anhaltenden Stromfluss verursachen. Bei Dioden mit einem größeren p-n-Übergang kann dies über 1 µs dauern. Die Sperrerholzeit begrenzt die maximale Frequenz, bei der die Diode ohne hohe Leistungsverluste eingesetzt werden kann.

Signaldioden

Nun, da wir die grundlegenden Kenngrößen von Dioden kennen, lass uns einen Blick auf den ersten Diodentyp werfen: die Signaldiode. Signaldioden werden manchmal auch als Schaltdioden bezeichnet. Sie sind für Schaltungen mit niedrigen Strömen, aber mit hohen Schaltgeschwindigkeiten ausgelegt. Wie in der Abbildung unten gezeigt, sind sie relativ klein und werden oft in einem Glasgehäuse geliefert. Die im Bild unten gezeigte Diode 1N4448 ist ein Beispiel für eine schnell schaltende Diode. Der maximale Durchlassstrom von Signaldioden liegt typischerweise im Bereich von wenigen hundert Milliampere und die maximale Verlustleistung liegt in der Regel unter einem Watt.

Auf dem Bild unten kann man sehen, dass sich in diesen Dioden nur ein kleines Plättchen aus dotiertem Halbleitermaterial befindet. Dies begrenzt zwar den maximalen Strom, ermöglicht der Diode jedoch eine niedrige Sperrschichtkapazität und eine geringe Sperrerholungszeit von nur wenigen Nanosekunden.

Signaldioden haben oft eine Durchbruchspannung im Bereich um 100 V. Sie sind daher für die Gleichrichtung von Netzspannung nicht geeignet. Der Leckstrom in Sperrrichtung liegt im Mikro- oder Nanoampere-Bereich.

Gleichrichterdiode

Gleichrichterdioden sind ein weiterer beliebter Diodentyp. Im Grunde genommen sind sie wie Signaldioden ganz normale Dioden, aber Gleichrichterdioden haben in der Regel einen größeren p-n-Übergang und eignen sich daher für höhere Durchlassströme. Sie werden üblicherweise für die Gleichrichtung von Netzspannung oder für Verpolungsschutzschaltungen verwendet. Das Bild unten zeigt eine 1N4007-Gleichrichterdiode. Diese Diode lässt einen Strom von bis zu 1 A zu. Dies ist immer noch eine recht kleine Diode, aber es gibt auch Gleichrichterdioden für deutlich höhere Ströme. Eine Gleichrichterdiode für Netzspannung muss eine hohe Durchbruchspannung haben. Für die Diode 1N4007 beträgt die Durchbruchspannung 1000 V. Natürlich gibt es auch Gleichrichterdioden für Niederspannungsanwendungen, bei denen keine hohen Durchbruchspannungen erforderlich sind.

In der Abbildung ist der Querschnitt einer alten 1N5406-Gleichrichterdiode zu sehen. Diese Diode hat eine viel größere p-n-Übergangsfläche und ziemlich massive Metallkontakte. Sie verträgt einen Strom von bis zu 3 A. Der Nachteil ist eine höhere Sperrschichtkapazität und eine Sperrerholungszeit von über einer Mikrosekunde. Solche Dioden sind für hohe Schaltfrequenzen nicht geeignet. Der Leckstrom ist wegen des größeren p-n-Übergangs etwas höher, liegt aber immer noch im Mikroampere-Bereich.

Schottky-Diode

Lassen Sie uns mit einem speziellen Diodentyp schließen: der Schottky-Diode. Eine Schottky-Diode ist keine klassische p-n-Übergangsdiode, sondern eine Diode mit einem Metall-Halbleiter-Übergang. Um den Unterschied zu verdeutlichen, wird in Schaltplänen ein eigenes Symbol für Schottky-Dioden verwendet.

Die meisten Schottky-Dioden verwenden n-dotiertes Silizium als Halbleitermaterial. Die Elektronen aus dem n-dotierten Bereich diffundieren in das Metall. Das n-dotierte Halbleitergebiet wird so in der Nähe des Übergangs positiv geladen und das Metall an der Grenzfläche wird negativ geladen. Es baut sich eine Barriere auf, genau wie die am p-n-Übergang.

Ähnlich wie beim p-n-Übergang nimmt die Größe der Barriere zu, wenn eine Spannung in Sperrrichtung angelegt wird, und nimmt ab, wenn eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt wird. Die erforderliche Flussspannung, um den Metall-Halbleiter-Übergang leitend zu machen, ist jedoch wesentlich geringer. Sie beträgt nur 0,2 V - 0,3 V bei einem Strom von 10 mA. Der geringere Spannungsabfall über der Diode bedeutet auch eine geringere Verlustleistung. Ein geringerer Spannungsabfall ist zudem auch für Schaltungen mit niedrigen Spannungen vorteilhaft.

Es gibt einen weiteren wichtigen Unterschied, der die Schottky-Diode auch für Hochfrequenzanwendungen geeignet macht. Um diesen Unterschied zu verstehen, müssen wir uns den Leitungsprozess am Metall-Halbleiter-Übergang ansehen. An einem p-n-Übergang findet ein Prozess statt, der als Minoritätsladungsträgerinjektion bezeichnet wird. Die Ladungen, die den Übergang überqueren, sind die Minoritätsladungsträger in der anderen Region und rekombinieren nach dem Überqueren des Übergangs. Die langsame Rekombination der injizierten Minoritätsladungsträger sorgt für die hohe Rückwärtserholungszeit normaler p-n-Übergangsdioden. Bei Schottky-Dioden ist dies anders. Wenn sich die Elektronen aus der n-dotierten Region den Metall-Halbleiter-Übergang überqueren, agieren sie auch in der Metallregion als Majoritätsladungsträger. Infolgedessen gibt es keine lange Rückwärtserholungszeit. Dies macht Schottky-Dioden zu schnell schaltenden Dioden. Der verbleibende begrenzende Faktor ist die Sperrschichtkapazität.

Natürlich haben Schottky-Dioden auch Nachteile. Der erste ist der relativ hohe Leckstrom in Sperrrichtung, der oft im Bereich von mehreren Milliampere statt Mikroampere liegt. Der zweite ist, dass Silizium-Schottky-Dioden eine niedrige Durchbruchspannung haben. Sie liegt meist unter 100 V. Das bedeutet, dass normale Schottky-Dioden für die Gleichrichtung der Netzspannung ungeeignet sind. Es gibt auch Siliziumkarbid-Schottky-Dioden, die zwar eine höhere Durchbruchspannung aufweisen, aber auch nicht den Vorteil der niedrigen Durchlassspannung haben.

Übrigens, du fragst dich vielleicht, wie normale Dioden mit Metallanschlüssen funktionieren, wenn sich doch an der Verbindungsstelle zwischen dem Halbleitermaterial und den Metallkontakten eine Barriere aufbaut. Dies ist in der Tat ein Problem, das in der Praxis gelöst werden muss. Es wird ein Metall-Halbleiter-Übergang ohne die gleichrichtenden Eigenschaften von Schottky-Dioden benötigt. Man nennt dies einen ohmschen Kontakt. Es ist möglich, diesen durch eine hohe Dotierung des Siliziums in der Nähe des Metallkontaktes zu erzeugen. Die Sperrschichtbreite nimmt mit steigendem Dotierungsniveau kontinuierlich ab und die Sperrwirkung wird schließlich vernachlässigbar.