Elektrotechnikunterricht/ Textbausteine/ Diode

Die Grenzschicht

Wo zwei verschiedene (n- und p-) dotierte Halbleiter zusammenstoßen, entsteht eine Grenzschicht. Die wenigen, entgegengesetzt geladenen Ladungsträger (Elektronen und Fehlstellen) ziehen sich an und „rekombinieren“, wodurch die Grenzschicht verödet. Weil nun keine Ladungsträger mehr vorhanden sind, wird die Grenzschicht zu einer isolierenden „Sperrschicht“.

Gekapselt und mit Anschlüssen versehen nennt man diese Konstruktion eine „Diode“.

Es sind die folgenden Betriebsarten der Grenzschicht zu unterscheiden:

Durchlassrichtung

Wird an den Halbleiter auf der linken Seite eine negative Spannung angelegt, stoßen sich die negativ geladenen Elektronen der Spannungsquelle und die Elektronen des Halbleiters ab, und die Elektronen werden in Richtung der verödeten Sperrschicht gedrückt.

Solange die in Durchlassrichtung angelegte Spannung klein ist, wird zwar die Sperrschicht kleiner, aber sie bleibt bestehen. Es fließt (fast) kein Strom.
Mit zunehmender Spannung werden immer mehr Ladungsträger in Richtung der verödeten Sperrschicht gedrückt.
Erreicht die Spannung etwa 0,5 Volt, beginnt der Strom schnell zu steigen.
Ab einer Spannung von etwa 0,6 Volt ist die Grenzschicht mit Ladungsträgern überflutet, die Sperrschicht existiert nicht mehr. Die Diode kann sehr viel Strom durchlassen, fast ohne Erhöhung des Spannungsabfalles an der Diode.
- Die Diode erwärmt sich nur sehr wenig: Wenn beispielsweise bei einem Strom von 1 Ampere eine Spannung von 0,6 Volt in der Diode abfällt, wird 0,6 V x 1,0 A = 0,6 Watt in Wärme umgesetzt.

Sperrrichtung

Durch die angelegte Spannung werden weitere Ladungsträger abgezogen, die Sperrschicht verbreitert sich zu einer „Ladungsträgerverarmungszone“. Der Stromfluß, der sogenannte „Reststrom“, ist kaum noch messbar.
Auch bei Sperrspannungen von einigen Dutzend Volt fließen „Sperrströme“ von lediglich einigen (dutzend) Micro-Ampere.
- Die Erwärmung der Diode ist minimal: 10 Volt x 10 Mikroampere = 100 Mikrowatt = 0,0001 Watt.
- Die Größe des Sperrstromes ist temperaturabhängig:
  - Eine Temperaturerhöhung um 20 Grad verzehnfacht den Sperrstrom.
  - Eine Temperaturerhöhung um weitere 20 Grad verzehnfacht den Sperrstrom erneut = verhundertfachung.
  - Eine Temperaturerhöhung um weitere 20 Grad verzehnfacht den Sperrstrom erneut!
  - Zusammenfassung: Temperaturerhöhung von 20 auf 80 Grad ergibt den 1000-fachen Sperrstrom. Deshalb müssen Halbleiter oft gekühlt werden.

Durchbruch

Je nach der Spannungsfestigkeit wird im Datenblatt jeder Diode eine maximale Sperrspannung angegeben, Größenordnung: hundert Volt. Wenn die Spannung weiter steigt, wird irgendwann die „Durchbruchsspannung“ erreicht und die Diode meist zerstört.