Die Diode (griech.: di zwei, doppelt; hodos Weg) ist ein elektronisches Bauelement mit zwei Polen , das eine unsymmetrische und nichtlineare Kennlinie besitzt. Eine Diode ist für Strom , der in eine Richtung fließt, durchlässig und für Strom, der entgegengesetzt durch den Leiter fließt, unterhalb der Durchbruchspannung ein Isolator . Hierdurch ist eine Gleichrichtung des Stroms ermöglicht, da Strom die Diode nur in eine Richtung passieren kann.
Der Begriff Diode wird synonym für den Begriff "ungesteuerter Gleichrichter " verwendet. Allerdings wurden die wegen technischer Nachteile veralteten Selengleichrichter nicht als Dioden bezeichnet, obwohl sie es technisch betrachtet sind.
Eine Diode besitzt eine Anode und eine Kathode . Wird die Anode positiv geschaltet, lässt die Diode den Strom durch. Die Kathode ist in diesem Fall negativ geladen (Durchlassrichtung Durchflussrichtung ). Oberhalb der von Material, Dotierung und Temperatur abhängigen Schwellenspannung ist der elektrische Widerstand sehr gering. Durch Umpolung, d.h. wenn die Anode negativ und die Kathode positiv geschaltet werden, sperrt (Sperrrichtung ) die Diode und lässt (fast) keinen Strom durch, solange der Betrag der Spannung die Durchbruchspannung nicht übersteigt.
Dioden kann man mit einem mechanischen Rückschlagventil vergleichen, da dieses auch nur Massenfluss in eine Richtung erlaubt.
Eine Halbleiterdiode hat eine Kapazität zwischen Anode und Kathode, die von der angelegten Spannung abhängig ist.
Es gibt verschiedene Arten von Dioden für verschiedene Einsatzzwecke. Heute werden fast nur Halbleiterdioden verwendet.
Vorgänger der Halbleiterdioden waren die Röhrendioden (Elektronenröhren ).
Dioden unterscheiden sich in ihren Parametern. So haben sie unterschiedliche Schwellenspannungen, Durchschlagspannungen, Sperr- und Durchlasswiderstände und unterschiedliche Kapazitäten. Bei einigen Diodenarten sind sogar negative differentielle Widerstände erreichbar. Die Parameter von Dioden hängen von einfallendem Licht und Sperrschichttemperatur ab.
Schaltzeichen einer Halbleiterdiode, zwei Varianten
1904 wurde eine Röhrendiode als Gleichrichter eingesetzt. Sie bestand aus Kathode und Anode . Die Funktionsweise der Halbleiter -Dioden basiert auf der Sperrschicht eines p-n-Übergangs . Bauformen sind die Spitzendiode (Detektor 1874 ) und die Flächendiode (1938 ).
Foto einer Auswahl von Dioden, ganz links: Brückengleichrichter
Aufbau einer Diode
Ersatzschaltung
Strom durch Diode:
I
D
{\displaystyle I_{D}}
Spannung an Diode:
U
D
{\displaystyle U_{D}}
Statisches Verhalten
ideale Diode
Die Shockley Formel (benannt nach William Bradford Shockley )
I
D
=
I
S
(
e
U
D
n
⋅
U
T
−
1
)
{\displaystyle I_{D}=I_{S}(e^{U_{D} \over {n\cdot U_{T}}}-1)}
Sättigungssperrstrom:
I
S
≈
10
−
12
…
10
−
6
A
{\displaystyle I_{S}\approx {10^{-12}\dots 10^{-6}A}}
Emissionskoeffizient:
n
≈
1
…
2
{\displaystyle n\approx 1\dots 2}
Temperaturspannung:
U
T
=
k
⋅
T
q
≈
26
m
V
{\displaystyle U_{T}={{k\cdot T} \over q}\approx {26mV}}
Differentieller Widerstand
r
D
=
d
U
D
d
U
D
∀
A
⋅
u
D
=
n
⋅
U
T
I
D
,
A
+
I
S
≈
n
⋅
U
T
I
D
,
A
{\displaystyle r_{D}={{d{U_{D}}} \over {d{U_{D}}}}\forall A\cdot u_{D}={{n\cdot U_{T}} \over {I_{D,A}+I_{S}}}\approx {{n\cdot U_{T}} \over I_{D,A}}}
Arbeitspunkt: A
Näherrung gilt bei
I
D
,
A
>
I
S
{\displaystyle I_{D,A}>I_{S}}
I
D
(
U
D
,
T
)
=
I
S
(
T
)
(
e
U
D
n
U
T
(
T
)
−
1
)
{\displaystyle I_{D}({U_{D},T})=I_{S}(T)\left(e^{{U_{D}} \over {nU_{T}(T)}}-1\right)}
U
T
(
T
)
=
k
⋅
T
q
=
86
,
142
⋅
μ
V
K
⋅
T
≈
26
m
V
{\displaystyle {U_{T(T)}}={{k\cdot T} \over q}={86,142\cdot {{\mu V} \over {K}}\cdot T}\approx {26mV}}
I
S
(
T
)
=
I
S
(
T
0
)
⋅
e
(
T
T
0
−
1
)
⋅
U
G
(
T
)
n
T
(
T
)
⋅
(
T
T
0
)
x
T
,
I
n
{\displaystyle {I_{S}(T)}={I_{S}(T_{0})}\cdot {e^{\left({T \over T_{0}}-1\right)\cdot {{U_{G}(T)} \over {n_{T}(T)}}}\cdot {\left({T \over T_{0}}\right)^{{x_{T,I}} \over n}}}}
x
T
,
I
≈
3
{\displaystyle {x_{T,I}}\approx 3}
d
U
D
d
T
∀
(
I
D
=
c
o
n
s
t
.
)
=
U
D
−
U
G
−
3
⋅
U
T
T
≈
−
1
,
7
m
V
K
{\displaystyle {{{dU_{D}} \over {dT}}\forall ({I_{D}={const.}}})={{U_{D}-U_{G}-{3}\cdot {U_{T}}} \over T}\approx {-1{,}7{mV} \over K}}
Näherrung bei T=300K; UD=0,7V
Diffusionsstrom
I
D
,
D
=
I
S
(
e
U
D
n
U
T
−
1
)
{\displaystyle I_{D,D}=I_{S}({e^{U_{D} \over {nU_{T}}}}-1)}
Hochstromeffekt
I
D
,
D
=
I
S
⋅
(
e
U
D
n
⋅
U
T
−
1
)
1
+
I
S
I
K
⋅
(
e
U
D
n
⋅
U
T
−
1
)
≈
{
I
S
⋅
e
U
D
n
U
T
wenn
I
S
⋅
e
U
D
n
⋅
U
T
<
I
K
I
S
⋅
I
K
⋅
e
U
D
2
⋅
n
⋅
U
T
wenn
I
S
⋅
e
U
D
n
⋅
U
T
>
I
K
{\displaystyle {I_{D,D}={{I_{S}\cdot \left(e^{U_{D} \over {n\cdot U_{T}}-1}\right)} \over {\sqrt {1+{I_{S} \over I_{K}}\cdot \left(e^{U_{D} \over {n\cdot U_{T}}-1}\right)}}}}\approx {\begin{cases}{I_{S}\cdot e^{U_{D} \over {nU_{T}}}}&{{\mbox{ wenn }}{I_{S}\cdot {e^{U_{D} \over {n\cdot U_{T}}}}}<I_{K}}\\{\sqrt {I_{S}\cdot I_{K}}}\cdot e^{U_{D} \over {2\cdot n\cdot U_{T}}}&{{\mbox{ wenn }}{I_{S}\cdot {e^{U_{D} \over {n\cdot U_{T}}}>I_{K}}}}\end{cases}}}
Kniestrom:
I
K
{\displaystyle I_{K}}
Leckstrom
I
D
,
R
=
I
S
,
R
⋅
(
e
U
D
n
R
⋅
U
T
−
1
)
⋅
(
(
1
−
U
D
U
d
i
f
f
)
2
+
5
⋅
10
−
3
)
m
S
2
{\displaystyle {I_{D,R}}={I_{S,R}\cdot \left(e^{{{U_{D}} \over {n_{R}\cdot U_{T}}}-1}\right)\cdot \left({\left(1-{{U_{D}} \over {U_{diff}}}\right)}^{2}+5\cdot {10^{-3}}\right)^{m_{S} \over 2}}}
Durchbruch
I
D
,
B
R
=
−
I
B
R
⋅
e
−
U
D
+
U
B
R
n
B
R
⋅
U
T
{\displaystyle I_{D,BR}=-I_{BR}\cdot e^{-{{U_{D}+U_{BR}} \over {n_{BR}\cdot U_{T}}}}}
Durchbruchsspannung: UBR ≈ 50…1000 V
Durchbruchskniestrom IR
Durchbruch-Emissionskoeffizient NBR ≈ 1
Bahnwiderstand
U
D
=
U
D
′
+
I
D
⋅
R
B
{\displaystyle U_{D}=U'_{D}+I_{D}\cdot R_{B}}
Dynamisches Verhalten
C
S
(
U
D
′
)
=
C
S
0
(
1
−
U
D
′
U
d
i
f
f
)
m
S
{\displaystyle C_{S}(U'_{D})={\frac {C_{S0}}{{\left(1-{\frac {U'_{D}}{U_{diff}}}\right)}^{m_{S}}}}}
U
′
D
<
U
d
i
f
f
{\displaystyle {{U'}_{D}}<{U_{diff}}}
C
S
(
U
D
′
)
=
C
S
0
⋅
{
1
(
1
−
U
D
′
U
d
i
f
f
)
m
S
wenn
U
D
′
≤
f
S
⋅
U
d
i
f
f
1
−
f
S
⋅
(
1
+
m
S
)
+
m
S
⋅
U
D
′
U
d
i
f
f
(
1
−
f
S
)
(
1
+
m
S
)
wenn
U
D
′
>
f
S
⋅
U
d
i
f
f
{\displaystyle C_{S}(U'_{D})=C_{S0}\cdot {\begin{cases}{\frac {1}{{\left(1-{\frac {U'_{D}}{U_{diff}}}\right)}^{m_{S}}}}&{\mbox{wenn }}{{U'_{D}}\leq {f_{S}\cdot U_{diff}}}\\{\frac {1-f_{S}\cdot {\left(1+m_{S}\right)}+{\frac {m_{S}\cdot U'_{D}}{U_{diff}}}}{{\left(1-f_{S}\right)}^{\left(1+m_{S}\right)}}}&{\mbox{wenn }}{U'_{D}>f_{S}\cdot U_{diff}}\end{cases}}}
C
D
,
D
(
U
D
′
)
=
d
Q
D
d
U
D
′
=
τ
T
⋅
I
D
D
n
U
T
⋅
1
+
I
S
2
⋅
I
K
⋅
e
U
D
′
n
⋅
U
T
1
+
I
S
I
K
⋅
e
U
D
′
n
⋅
U
T
{\displaystyle C_{D,D}{\left(U'_{D}\right)}={\frac {dQ_{D}}{dU'_{D}}}={\frac {{\tau }_{T}\cdot I_{DD}}{nU_{T}}}\cdot {\frac {1+{\frac {I_{S}}{2\cdot I_{K}}}\cdot e^{\frac {U'_{D}}{n\cdot U_{T}}}}{1+{\frac {I_{S}}{I_{K}}}\cdot e^{\frac {U'_{D}}{n\cdot U_{T}}}}}}
C
D
,
D
≈
τ
T
⋅
I
D
n
⋅
U
T
⋅
1
+
I
D
2
⋅
I
K
1
+
I
D
I
K
I
D
≪
I
K
≈
τ
T
⋅
I
D
n
⋅
U
T
{\displaystyle C_{D,D}\approx {{\frac {{\tau }_{T}\cdot I_{D}}{n\cdot U_{T}}}\cdot {\frac {1+{\frac {I_{D}}{2\cdot I_{K}}}}{1+{\frac {I_{D}}{I_{K}}}}}{\begin{matrix}{I_{D}\ll I_{K}}\\{\approx }\\{}\end{matrix}}{\frac {{\tau }_{T}\cdot I_{D}}{n\cdot U_{T}}}}}
Bei Si -Dioden ist
τ
T
≈
1
…
100
n
s
{\displaystyle {\tau }_{T}\approx 1\dots 100ns}
Bei Schottky-Dioden ist
τ
T
≈
1
…
100
p
s
{\displaystyle {\tau }_{T}\approx 1\dots 100ps}
Kleinsignalmodell
statisches Kleinsignalmodell
r
D
=
r
D
,
D
≈
n
⋅
U
T
I
D
,
A
{\displaystyle r_{D}=r_{D,D}\approx {\frac {n\cdot U_{T}}{I_{D,A}}}}
r
Z
=
r
D
,
B
R
=
n
B
R
⋅
U
T
|
I
D
,
A
|
{\displaystyle r_{Z}=r_{D,BR}={\frac {n_{BR}\cdot U_{T}}{\left|I_{D,A}\right|}}}
dynamisches Kleinsignalmodell
r
D
≈
n
⋅
U
T
I
D
,
A
{\displaystyle r_{D}\approx {{n\cdot U_{T}} \over {I_{D,A}}}}
C
D
≈
τ
T
⋅
I
D
,
A
n
⋅
U
T
+
2
⋅
C
S
0
=
τ
T
r
D
+
2
⋅
C
S
0
{\displaystyle C_{D}\approx {{{{\tau }_{T}\cdot I_{D,A}} \over {n\cdot U_{T}}}+2\cdot C_{S0}}={{{\tau }_{T} \over r_{D}}+2\cdot C_{S0}}}
Diodentypen
Neben der einfachen Diode gibt es eine Reihe von speziellen Halbleiterdioden für unterschiedliche Einsatzzwecke :
Gleichrichtung
Spannungsstabilisierung
Optik
Kapazitive Dioden
andere
Literatur
Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm, Halbleiter-Schaltungstechnik , Springer 2002, 12. Auflage, ISBN 3540428496
Siehe auch 
