Diode
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 kommt es zur Gleichrichtung des Stroms, da der Strom die Diode nur in eine Richtung passieren kann. Dioden kann man also mit einem mechanischen Rückschlagventil vergleichen, da dieses auch nur Massenfluss in eine Richtung erlaubt.
Der Begriff Diode wird als Synonym für den Begriff „ungesteuerter Gleichrichter“ verwendet. Allerdings wurden die wegen technischer Nachteile veralteten Selen-Gleichrichter nicht als Dioden bezeichnet, obwohl sie es technisch betrachtet sind.


Aufbau einer Halbleiterdiode
Die Grundlage der Halbleiterdiode ist ein n-p-dotierter Halbleiterkristall, dessen Leitfähigkeit von der Polung der Betriebsspannung an Anode (p-dotiert) und Kathode (n-dotiert) abhängt. Der p-n-Übergang (graue Fläche) ist eine Zone, die frei von beweglichen Ladungsträgern ist, da die positiven Ladungen des p-Kristalls sich hier mit den negativen Ladungen des n-Kristalls ausgeglichen (rekombiniert) haben. Da sich die ebenfalls vorhandenen ortsfesten Ladungen nicht rekombinieren können, herrscht innerhalb der Zone ein elektrisches Feld, welches einen Ladungstransport unterbindet. Dieses Feld kann durch eine von außen angelegte Spannung – je nach Polung – kompensiert werden, dann wird der p-n-Übergang leitfähig, oder es kann verstärkt werden, dann bleibt er gesperrt.
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pn-Diode
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Schottky-Diode
Als Sonderfall handelt es sich bei der Schottky-Diode dagegen um einen Metall-Halbleiter-Kontakt, siehe oben.
Mechanisches Ersatzmodell der Diode
Die Funktion einer Gleichrichterdiode im Normalbetrieb kann man sich am einfachsten als Rückschlagventil vorstellen. Wenn der Druck (Spannung) auf dieses Ventil (Diode) in Sperrichtung erfolgt, so wird der Stromfluss blockiert. In die Gegenrichtung muss der Druck groß genug werden, um den Federdruck des Ventils (Sperrspannung) überwinden zu können. Danach öffnet das Ventil und der Strom kann fließen. Die Spannung welche in diesem mechanischen Modell zum Überwinden des Federdruckes notwendig ist, entspricht bei einer Diode der so genannten Vorwärtsspannung oder auch Flussspannung genannt. Dabei muss zunächst eine bestimmte Spannung in Flussrichtung der Diode anliegen, damit die Diode in den leitenden Zustand übergeht. Bei gewöhnlichen Silizium-Dioden liegt diese notwendige Vorwärtsspannung bei ca. 0,7 V.
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Ein geschlossenes Kugelrückschlagventil.
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Ein geöffnetes Kugelrückschlagventil.
Dieses Modell entspricht der Shockley-Formel, wodurch diese Formel u.a. auch zur näherungsweisen Berechnung von Ventilen geeignet ist.
Kennzeichnungen von Dioden
Dioden tragen meistens neben der Typenbezeichnung noch einen Ring zur Kennzeichnung des Kathodenanschlusses.
Siehe dazu die Abbildung oben rechts:
- Das linke Bauteil ist ein Brückengleichrichter mit zwei Anschlüssen für die anzulegende Wechselspannung "AC" und den beiden Ausgängen "+" und "-".
- Bei den mittleren Bauteilen sind die Ringe gut zu sehen.
- Das rechte Bauteil ist eine Leistungsdiode, hier ist im Allgemeinen das Gehäuse die Kathode.
Manchmal ist auch direkt ein Dioden-Schaltungssymbol in entsprechender Richtung auf das Gehäuse gedruckt.
Formeln
Im Folgenden werden die wichtigsten Formeln zur Beschreibung der Funktion von Dioden beschrieben. Es werden hierfür die folgenden Formelzeichen verwendet:
- Spannung an Diode in Durchlassrichtung:
- Strom durch Diode in Durchlassrichtung:
- Sättigungssperrstrom:
- Diffusionsstrom:
- Leckstrom:
- Leck-Sättigungssperrstrom:
- Durchbruchstrom:
- Emissionskoeffizient:
- Temperaturspannung:
- Bahnwiderstand:
- Differentieller Widerstand:
- Arbeitspunkt: oder
- Diodenkapazität:
- Sperrschichtkapazität:
- Diffusionskapazität:
Zusätzlich sind die folgenden Naturkonstanten wichtig:
- Boltzmannkonstante:
- Elementarladung:
- Bandabstandsspannung (Gap voltage):
Statisches Verhalten
Ideale Diode
Die Shockley-Formel (benannt nach William Bradford Shockley) beschreibt die Kennlinie der idealen Diode. Sie gilt bei UD ≥ 0, wird gelegentlich aber auch zur Beschreibung für die Kennlinie bei UD < 0 (Durchbruchsbereich) verwendet.
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- Sättigungssperrstrom:
- Emissionskoeffizient:
- Temperaturspannung: bei Raumtemperatur
Wenn man die resultierende Kennlinie betrachtet, nimmt der Strom durch die Diode ID exponentiell zur angelegten Spannung zu. Ab einer Spannung von etwa 0,4 V beginnt bei Si-Dioden der Strom merklich anzusteigen. Der eigentliche Betriebsbereich liegt hierbei bei einer Spannung UF (forward Voltage) von etwa 0,6 V bis 0,7 V. Bei Schottky- und Germanium-Dioden beginnt ein nennenswerter Strom bereits bei etwa 0,2 V; der Betriebsbereich liegt bei etwa 0,3 V bis 0,4 V. Wenn man eine negative Spannung an eine Si-Diode anlegt, beginnt ab etwa −50 V bis −1000 V die Diode ebenfalls leitend zu werden; eine Schottky-Diode bei etwa −10 V bis −200 V. Man spricht hierbei von der Durchbruchsspannung UBR der Diode, welche mit umgekehrten Vorzeichen angegeben wird. Durch spezielle Dotierungen erreicht man auch Durchbrüche unter −5 V. Dieser Zener-Effekt wird für Z-Dioden verwendet.
Für einfache Berechnungen kann die Diode mit einem in Serie geschalteten Bahnwiderstand RB als Schalter angesehen werden, welcher ab einer Spannung von 0,4 V schließt.
Der Strom durch die Diode setzt sich hierbei aus dem Hochstromeffekt ID,D, dem Leckstrom ID,R und dem Durchbruchsstrom IDBR zusammen:
Differentieller Widerstand
Der differenzielle Widerstand ergibt sich aus der Tangente durch den Arbeitspunkt der Diode. Durch die Verwendung einer Geraden anstatt der tatsächlichen Exponentialfunktion werden die benötigten Rechenschritte wesentlich vereinfacht.
Arbeitspunkt: A
Bei großen Strömen wird sehr klein, und man muss zusätzlich den Bahnwiderstand berücksichtigen, welcher mit in Serie geschalten wird.
Diese Ersatzschaltung eignet sich nur für Frequenzen von 0...10 kHz. Bei höheren Frequenzen, wie sie auch beim Ein- und Ausschalten auftreten, muss man zusätzlich die kapazitiven Eigenschaften der Diode berücksichtigen.
Temperaturabhängigkeit
Die Diodenkennlinie variiert stark mit der Temperatur. Aus der Formel für die ideale Diode ergibt sich unter Berücksichtigung der Temperatur die Formel:
mit:
- mit
Dabei ist die Boltzmannkonstante,
die Elementarladung und
die Bandabstandsspannung (gap voltage) von Silizium.
Zusätzlich muss man auch die Temperaturabhängigkeit der Spannung berücksichtigen.
Diffusionsstrom
Der Diffusionsstrom tritt im mittleren Durchlassbereich auf, wo er über die anderen Effekte dominiert. Die Formel ergibt sich aus der idealen Diode mit:
Bei Schottky-Dioden kann man mit derselben Formel den Emissionsstrom beschreiben.
Hochstromeffekt
Der Hochstromeffekt bewirkt eine Zunahme von im Bereich der mittleren Ströme auf bei I<
Hierbei beschreibt der Kniestrom die Grenze zum Hochstrombereich.
Leckstrom (Rekombinationsstrom)
Der Leckstrom ergibt sich aus:
Hierbei ist der Leck-Sättigungssperrstrom, der die Diffusionsspannung und der Kapazitätskoeffizient.
Durchbruch
. Dieser Effekt wird vor allem bei Z-Dioden angewendet, wobei UBR durch geeignete Dotierung auch auf unter 5V gesenkt werden kann.
Hierbei ist die Durchbruchsspannung, IR der Durchbruchskniestrom und der Durchbruch-Emissionskoeffizient.
Bahnwiderstand
Der Bahnwiderstand wird durch den elektrischen Widerstand des Halbleitermaterials, sowie dem Widerstand des Anschlusses am Halbleiter verursacht. Der Bahnwiderstand wird durch die folgende Formel berücksichtigt:
Dynamisches Verhalten
Für Wechselstromanwendungen muss man auch die Kapazitäten der Diode berücksichtigen, welche vor allem bei hohen Frequenzen hervortreten. Hierbei unterscheidet man zwischen der Sperrschichtkapazität und der Diffusionskapazität.
Sperrschichtkapazität

Der p-n-Übergang einer Diode hat eine Kapazität, die von der Breite der Raumladungszone abhängig ist. Wird eine Diode in Sperrrichtung betrieben, so entsteht am p-n-Übergang eine Ladungsträgerverarmungszone, an der sich auch ein elektrisches Feld, bedingt durch die fehlenden Ladungsträger, aufbaut. Mit steigender Spannung vergrößert sich die Breite der ladungsfreien Zone, wodurch die Kapazität abnimmt.
Die Null-Kapazität ist direkt proportional zur Fläche des pn-Überganges. Die Diffusionsspannung ist ebenfalls von der Dotierung abhängig. Mit steigender Dotierung nehmen und zu. Die Diffusionsspannung liegt üblicherweise im Bereich zwischen 0,5 und 1 Volt.
Der Kapazitätskoeffizient stellt das Dotierungsprofil des pn-Überganges dar. Direkte Übergänge von der p- in die n-Schichte führen zu einem Wert von , während Überänge mit linearem Verlauf von der p- in die n-Schichte zu einem Wert von führen.
Die obenstehende Formel für ist nur bis zu einem Wert von etwa gültig. Die Formel kann also—wie in der Grafik punktiert dargestellt—den tatsächlichen Verlauf von in diesem Bereich nicht wiedergeben. Über diesem Wert nimmt nur noch schwach zu. Für einen Wert von wird der weitere Verlauf von durch die Tangente im Punkt ersetzt, welches dem tatsächlichen Verlauf sehr nahe kommt:
Durch Einsetzen erhält man die Gleichung
Hierbei ist .
siehe auch: Kapazitätsdiode
Diffusionskapazität
Bei Anlegen einer Durchlassspannung kommt es in den Bahngebieten (also außerhalb der Raumladungszone) zu Minoritätsträgerüberschüssen, die die sogenannten Diffusionsladungen bilden. Diese räumlich getrennten Ladungen müssen bei Änderungen der Durchlassspannung auf- bzw. abgebaut werden und beeinflussen somit das dynamische Verhalten der Diode. Diese Beeinflussung lässt sich durch die Diffusionskapazität beschreiben.
IDD wird als Diffusionsstrom bezeichnet, und ist die so genannte Transitzeit:
Näherungsweise kann man auch annehmen, dass für den Diffusionsbereich und damit auch gilt. Daraus ergibt sich die Näherungsgleichung:
- Bei Si-Dioden ist .
- Bei Schottky-Dioden ist , deshalb kann bei Schottky-Dioden die Diffusionskapazität meist vernachlässigt werden.
Kleinsignalmodell
Das Kleinsignalmodell ist eine starke Vereinfachung und wird in der Dimensionierung von elektronischen Schaltungen verwendet, wenn keine hohe Genauigkeit des Ergebnisses notwendig ist. Hierbei wird die einfache Ersatzschaltung der Diode als Schalter betrachtet.
Statisches Kleinsignalmodell
Das statische Kleinsignalmodell wird zur Dimensionierung der Arbeitspunkteinstellung von einfachen Schaltungen herangezogen.
Dynamisches Kleinsignalmodell
Das dynamische Kleinsignalmodell berücksichtigt zusätzlich zum statischen Kleinsignalmodell auch die Kapazität der Diode. Damit kann man auch einfache (Niederfrequenz-)Schaltungen mit Kapazitätsdioden dimensionieren.
Beschriftung von Dioden
Dioden können nach einer von zwei Standards gekennzeichnet sein. Gemäß JEDEC-Norm oder gemäß Pro Electron, jeweils mit einem Farbcode oder einer Beschriftung. Bei der Bezeichnung mit Farbcode ist der erste Ring breiter aufgedruckt und bezeichnet gleichzeitig den Anschluss der Kathode. Bei der Beschriftung wird die Kathode mit einem einfachen Ring gekennzeichnet.
JEDEC
Die Beschriftung für Dioden gemäß JEDEC setzt sich aus einer Zahl und einem Buchstaben, sowie einer weiteren 4-stelligen Zahl zusammen (z. B. „1N4148“). Die 4-stellige Zahl kann hierbei in der folgenden Farbcodierung angegeben sein:
Farbe | schwarz | braun | rot | orange | gelb | grün | blau | violett | grau | weiß |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Wert | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
Pro Electron
Die Beschriftung der Dioden nach Pro Electron setzt sich aus zwei bis drei Buchstaben und einer zwei stelligen Zahl zusammen. Diese Buchstaben-Ziffernfolge kann alternativ als Farbcode angegeben werden:
Farbe | 1. Ring | 2. Ring | 3. Ring | 4. Ring |
---|---|---|---|---|
schwarz | X | 0 | 0 | |
braun | AA | 1 | 1 | |
rot | BA | 2 | 2 | |
orange | S | 3 | 3 | |
gelb | T | 4 | 4 | |
grün | V | 5 | 5 | |
blau | W | 6 | 6 | |
violett | 7 | 7 | ||
grau | Y | 8 | 8 | |
weiß | Z | 9 | 9 |
Diodentypen
Neben der einfachen Diode gibt es eine Reihe von speziellen Halbleiterdioden für unterschiedliche Einsatzzwecke:
Gleichrichtung
- Leistungsgleichrichter (p+sn+-Diode)
- Kupferoxydul-Gleichrichter
- Selen-Gleichrichter
- Ionen-Gleichrichter
Spannungs- und Stromstabilisierung
- Rückwärtsdiode
- Zener-Diode oder Z-Diode
- Stromregeldiode (Strombegrenzerdiode; keine Diode im eigentlichen Sinne)
Optik
Kapazitive Dioden
- p-i-n Diode
- Varaktor (variable Reaktance)
- Kapazitätsdiode
Andere
- Avalanchediode
- Gunndiode
- IMPATT-Diode oder Lawinenlaufzeitdiode (LLD)
- Schalterdiode
- Schottky-Diode
- Sirutor
- Step-Recovery-Diode, auch Speicherschaltdiode
- Suppressordiode
- Tunneldiode
- Verpolungsschutz-Diode
Gesteuerte Gleichrichter und verwandte Bauelemente
Literatur
- Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer 2002, 12. Auflage, ISBN 3540428496
- (eng.) Marius Grundmann,: The Physics of Semiconductors. An Introduction Including Device and Nanophysics, Springer 2006, 1. Auflage, ISBN 354025370X
Siehe auch
- Tabelle mathematischer Symbole
- Elektronenröhre
- Halbleiter
- p-n-Übergang
- Gleichrichter
- Elektronik
- Detektorempfänger