Halbleiterdiode

Elektronik

Halbleiterdiode

  • Woraus bestehen eigentlich Dioden?
  • Welche besonderen Eigenschaften haben Dioden?
  • Wie funktionieren Leuchtdioden?
  • Warum benutzt man statt Glühbirnen heute Leuchtdioden?

Das Wichtigste auf einen Blick

Schaltung einer Diode in Durchlassrichtung

Halbleiterdioden bestehen aus zwei Schichten: einem p-Halbleiter und einem n-Halbleiter

Dioden besitzen eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung

Liegt der Pluspol an der p-Schicht, so ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet

p-n-Schichten als Halbleiterdiode

Bringt man eine Schicht eines p-dotierten Halbleiters mit einer Schicht eines n-dotierten Halbleiters zusammen, so erhält man eine sog. Halbleiterdiode. Eine Halbleiterdiode besitzt die Eigenschaft, dass ihr Widerstand bzw. ihre Leitfähigkeit von der Richtung des Stromflusses durch sie hindurch abhängt. In eine Richtung, lässt die Halbleiterdiode Strom fast ungehindert passieren, in die andere Richtung verhindert sie den Stromfluss fast vollständig.

Durchlass- und Sperrrichtung

1 Ventilwirkung einer Halbleiterdiode in Abhängigkeit von der Polung der angelegten Spannung

Ob eine Diode den Strom nahezu ungehindert passieren lässt oder ihn fast vollständig unterbindet hängt von der Polung der anliegenden Spannungsquelle ab.

Legt man den Pluspol der Spannungsquelle an die p-Schicht, so leitet die p-n-Schicht: Polung in Durchlassrichtung.

Polt man um, legt also den Pluspol an die n-Schicht, so ist kein Stromfluss mehr möglich: Polung in Sperrrichtung.

Analogie zu einem mechanischen Ventil

Mechanische Analogie einer Diode zu einem Ventil
Abb.
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Mechanische Analogie einer Diode zu einem Ventil

Die Funktionsweise einer Diode entspricht modellhaft der Funktion eines Ventils, wie du es z.B. von einem Fahrradreifen kennst. Du kannst von außen Luft durch das Ventil ins Innere hineinpumpen, dies ist die Durchlassrichtung. Die Luft in des Ventils bzw. Reifens gelangt aber ohne spezielles zutun nicht in der entgegengesetzten Richtung aus dem Reifen. Dies entspricht der Sperrichtung.

Physikalische Ursache

3 Entstehung der Raumladungszone an der Kontaktfläche von p- und n-dotierten Halbleitern

Wie du vielleicht von der Seite über die Dotierung von Halbleitern noch weist, kann man beim n-Halbleiter vereinfachend davon ausgehen, dass er Elektronen enthält, die sich über einem Untergrund von ortsfesten positiven Ladungen relativ frei bewegen können. Beim p-Halbleiter bewegen sich Löcher frei über einem Untergrund von ortsfesten negativen Ladungen.

Bringst du nun einen p-Halbleiter und einen n-Halbleiter in Kontakt, so treten aufgrund der Wärmebewegung freie Elektronen aus dem n-Gebiet in das p-Gebiet und auch freie Löcher aus dem p-Gebiet in das n-Gebiet. Es kommt in der Grenzschicht der Materialien zu Rekombinationen, Elektronen füllen Löcher auf. Somit verschwinden die beweglichen Ladungsträger im Grenzgebiet. Nahe der Kontaktzone bleiben im n-Halbleiter die ortsfesten positiven und im p-Halbleiter die ortsfesten negativen Ladungen zurück. Diese festsitzenden Ladungen sind dafür verantwortlich, dass sich nicht sämtliche Elektronen der n-Zone mit allen Löchern der p-Zone neutralisieren. Die festsitzenden Ladungen einer Zone üben nämlich abstoßende Kräfte auf die beweglichen Ladungen der anderen Zone aus. Auf diese Weise bildet sich in der Grenzschicht eine von beweglichen Ladungsträgern freie Zone aus, die sogenannte Raumladungszone. Dadurch ist die p-n-Schicht ohne äußere elektrische Beschaltung nicht leitend.

Verhalten bei Schaltung in Sperr- und Durchlassrichtung

4 Beschaltung eines p-n-Übergangs in Sperr- und in Durchlassrichtung

Durch äußere elektrische Beschaltung kann die Raumladungszone beeinflusst werden:

Polung in Sperrrichtung

Der Pluspol liegt an der n-Zone, der Minuspol an der p-Zone. Die beweglichen Ladungsträger werden von den Polen der Spannungsquelle angezogen, die Raumladungsschicht vergrößert sich. Die p-n-Schicht sperrt.

Polung in Durchlassrichtung

Der Minuspol liegt an der n-Zone, der Pluspol an der p-Zone. Die beweglichen Ladungsträger werden von den Polen der Spannungsquelle abgestoßen und in die Raumladungszone gedrängt, die sich - je nach dem Betrag der Spannung - verkleinert oder ganz abbaut. In der Grenzschicht findet eine Rekombination von Elektronen und Löchern statt. Die verschwundenen Ladungsträger werden von der Stromquelle laufend ersetzt: Elektronen gelangen vom Minuspol in die n-Zone. Der Pluspol "saugt" gebundene Elektronen in der p-Zone ab, so dass es dort zu neuen Löchern kommt. Es fließt ein (technischer) Strom vom Plus- zum Minuspol der Quelle.

Schaltsymbol

Für einen p-n-Übergang, also eine Halbleiterdiode, kannst du das in Abb. 5 dargestellt Schaltsymbol verwenden. Dabei steht der einzelne senktrecht Strich, der wie ein senkrecht gestelltes Minus aussieht, für die n-Schicht, dass Dreieck für die p-Schicht. Um eine Halbleiterdiode in Durchlassrichtung zu schalten, musst du also den einzelnen Strich an den Minuspol und das Dreieck an den Pluspol einer Spannungsquelle anschließen.

Schaltsymbol einer Diode mit Schaltungen in Durchlass- und Sperrrichtung
Abb.
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Schaltsymbol einer Diode mit Schaltungen in Durchlass- und Sperrrichtung

Hinweis: Die obige Darstellung der Funktionsweise der Halbleiterdiode wurde bewusst stark vereinfacht dargestellt. So bleibt z.B. das Verhalten der Minoritätsträger, die zu einem Sperrstrom führen, völlig unberücksichtig.

Wenn in einer elektrischen Schaltung die Spannung \(U\) und die Stromstärke \(I\) gleichzeitig gemessen werden sollen, so kann nur eine der beiden Größen ohne Verfälschung gemessen werden. Die andere Größe wird durch die Messgeräte selbst verfälscht. Mit modernen Messgeräten kann diese Abweichung durch jedoch z.B. durch hohe Eingangswiderstände bei Spannungsmessern von \(10\,\rm{M\Omega}\) sehr gering gehalten werden. Dadurch spielen entsprechende Fehler inzwischen nur noch selten eine Rolle. Sie müssen lediglich bei der Messung von geringen Spannungen oder Stromstärken besonders beachtet werden.

Stromrichtige Messung

Schaltung für Stromrichtige Messung
Abb.
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Schaltung für Stromrichtige Messung

Bei der stromrichtigen Messung wird nur der durch ein Bauteil fließende Strom gemessen. Dazu wird der Strom ohne Verzweigung unmittelbar vor oder hinter dem Bauteil gemessen. In dieser Schaltung wird die Stromstärke \(I_R\) korrekt gemessen.

Jedoch registriert der Spannungsmesser in dieser Schaltung nicht nur die am Bauteil abfallende Spannung \(U_R\), sondern auch die über dem Strommessgerät abfallende Spannung \(U_\rm{A}\). Die Spannungsmessung ist also in dieser Schaltung mit einem systematischen Fehler behaftet. Um diesen möglichst gering zu halten, muss der Innenwiderstand des Strommessers möglichst gering sein. Dadurch wird auch die über dem Strommesser abfallende Spannung \(U_\rm{A}\) klein.

 

Schaltung für Spannungsrichtige Messung
Abb.
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Schaltung für Spannungsrichtige Messung

Möchte man diesen systematischen Fehler bei der Spannungsmessung vermeiden, so wählt man die spannungsrichtige Schaltung. Bei der spannungsrichtigen Messung, wird nur die über dem Bauteil abfallende Spannung \(U_R\) gemessen. Da kein weiteres Bauteil die Messung beeinflusst, wird hier die Spannung korrekt gemessen.

Jedoch registriert das Strommessgerät in dieser Schaltung nicht nur den Strom \(I_R\), der nicht nur durch den Widerstand fließt, sondern auch den durch das Messgerät fließenden Strom \(I_\rm{V}\). Die Strommessung ist also in dieser Schaltung mit einem systematischen Fehler behaftet. Dieser kann durch einen hohen Eingangswiderstand des Messgerätes von einigen \(\rm{M\Omega}\) jedoch gering gehalten werden. Dadurch wird auch der durch den Spannungsmesser fließende Strom klein.

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