Was ist eine Diode?

Was ist eine Diode? – Definition und Funktion

Was ist eine Diode und wie finktioniert sie eigentlich?

Schottky Dioden

Was ist eine Diode?

Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement mit der grundsätzlichen Eigenschaft, dass sie nur in einer Richtung von elektrischem Strom durchflossen wird. Diese Eigenschaft ist wesentlich für die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom, weshalb Dioden häufig in Wechselstromadaptern und anderen Gleichrichterschaltungen zu finden sind. Der heute am häufigsten verwendete Diodentyp ist die Halbleiterdiode.

Einige Dioden können Licht abgeben. Diese werden Leuchtdioden oder LEDs genannt. Kommerzielle LED-Leuchtmittel sind seit den 1960er Jahren erhältlich, aber technische Entwicklungen und Verbesserungen in den 1990er und 2000er Jahren haben ihre Popularität stark erhöht. Dieses Leuchtmittel hilft, den Energieverbrauch zu reduzieren und vermeidet die Quecksilberverunreinigung von Kompaktleuchtstofflampen. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass LEDs fast nie ausbrennen, wie es bei herkömmlichen Glühbirnen der Fall ist. Die Physik dieser Dioden ist ziemlich eng mit der von Photovoltaikzellen verwandt. LEDs nehmen Strom auf und erzeugen Licht, während Photovoltaikzellen Licht aufnehmen und Strom erzeugen.

Wie funktioniert eine Diode?

Die Funktionsweise einer Diode kann schwer zu verstehen sein, da sie eine ziemlich fortgeschrittene Quantenmechanik beinhaltet. Auf der einfachsten Ebene kann man jedoch die Funktionsweise einer Diode verstehen, indem man sich den Fluss der positiven Ladungen (oder „Löcher“) und der negativen Ladungen (der Elektronen) anschaut. Technisch gesehen wird eine Halbleiterdiode als p-n-Übergang bezeichnet. Diese p-n-Übergänge sind auch für den Betrieb einer Photovoltaikzelle wichtig.

Damit die Diode richtig funktioniert, ist ein Prozess erforderlich, der als Dotierung bezeichnet wird. Halbleiter können mit Materialien dotiert werden, so dass sie einen Überschuss an leicht verschiebbaren Elektronen aufweisen – allgemein als negativer oder n-Typ-Bereich bezeichnet. Sie können auch mit Elementen dotiert werden, die einen Überschuss an Löchern erzeugen, die diese Elektronen leicht absorbieren – allgemein als positiver oder p-leitender Bereich bezeichnet. Der negative und positive Bereich der Diode ist gleichzeitig die Kathode bzw. Anode des Bauteils.

Die Unterschiede zwischen diesen beiden Materialien und ihre Wechselwirkungen über sehr kurze Distanzen (weniger als ein Millimeter) ergeben beim Zusammenfügen der beiden Typen eine Diode. Die Verbindung dieser beiden Typen erzeugt den p-n-Übergang, und der Bereich zwischen den beiden Seiten wird als Verarmungszone bezeichnet, da die Elektronen aus der n-Typ-Region diffundieren und einige der Löcher in der p-Typ-Region füllen.

Dadurch entstehen negative Ionen im p-Typ-Bereich und es bleiben positive Ionen im n-Typ-Bereich zurück. Dieser reagiert je nach Richtung des elektrischen Feldes unterschiedlich auf elektrische Felder. Dies führt zu einem nützlichen elektronischen Verhalten, je nachdem, auf welche Weise die Spannung, oder das elektrische Feld, angelegt wird, man nennt dies Bias.

Bias

Eine Diode (PN-Übergang) in einem Stromkreis lässt den Strom leichter in eine Richtung fließen als in eine andere. Eine Vorwärtsspannung bedeutet, dass eine Spannung an eine Diode angelegt wird, die einen leichten Stromfluss ermöglicht, während eine Sperrvorspannung bedeutet, dass eine Spannung an eine Diode in der entgegengesetzten Richtung angelegt wird. Die Spannung mit Rückwärtsvorspannung verursacht keinen nennenswerten Stromfluss. Dies ist nützlich, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Es hat auch andere Verwendungen bei der Manipulation von elektronischen Signalen.

Reverse Bias

Wenn eine Spannung über die Diode so angelegt wird, dass die n-Typ-Hälfte der Diode mit dem positiven Pol der Spannungsquelle und die p-Typ-Hälfte mit dem negativen Pol verbunden ist, würden die Elektronen aus dem externen Stromkreis durch „Auffüllen der Löcher“ mehr negative Ionen im p-Typ-Bereich und mehr positive Ionen im n-Typ-Bereich erzeugen, wenn die Elektronen zum positiven Pol der Spannungsquelle hin verschoben werden.

Folglich würde die Verarmungsregion zunehmen und die Spannung zwischen der p-Typ- und der n-Typ-Region würde ebenfalls zunehmen, wenn die Gesamtladung auf jeder Seite des Übergangs in der Größe zunimmt, bis die Spannung an der Diode gleich der angelegten Spannung ist und ihr entgegenwirkt und sie auslöscht, wodurch der Strom durch die Schaltung beendet wird. Dieser Prozess geschieht fast augenblicklich und führt dazu, dass im Wesentlichen kein Strom durch die Schaltung fließt, wenn Spannung in dieser Richtung über die Diode angelegt wird. Dies wird als in Sperrrichtung vorgespannter p-n-Übergang bezeichnet.

Forward Bias

Wenn die Spannung in der entgegengesetzten Richtung über die Diode angelegt wird, beginnt der Verarmungsbereich zu schrumpfen. In einer in Sperrrichtung vorgespannten Diode würden die Elektronen und Löcher vom Übergang weggezogen werden, aber ein in Vorwärtsrichtung vorgespanntes Szenario stellt sicher, dass die Elektronen und Löcher sich zum Übergang hin bewegen, wenn sie vom positiven bzw. negativen Pol der Spannungsquelle abgestoßen werden.

Bei einer ausreichend großen angelegten Spannung würden sowohl die Löcher als auch die Elektronen die Verarmungszone überwinden und sich in der Nähe des Übergangs treffen, wo sie sich in einem kontinuierlichen Prozess verbinden, den Stromkreis schließen und einen Stromfluss ermöglichen.

Vorwärtsspannung und Durchbruchspannung

Es ist eine minimale Schwellenspannung erforderlich, um die Verarmungszone zu überwinden, die bei den meisten Siliziumdioden bei signifikanten 0,7 Volt liegt. Darüber hinaus induziert die Sperrvorspannung eine kleine Menge an Strom durch die Diode, den sogenannten Leckstrom, der für die meisten Zwecke im Wesentlichen vernachlässigbar ist. Schließlich führt eine ausreichend große Sperrspannung zum vollständigen elektronischen Durchbruch der Diode und lässt den Strom in Sperrrichtung durch die Diode fließen.

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