Diode

13. Mär 2010, 20:48

Dieser Artikel erläutert Halbleiterdioden; zu der Ausführung als Röhre siehe Röhrendiode.

Eine Diode (griech.: (δίοδος), di durch; hodos Weg) ist ein elektrisches Bauelement, das Strom nur in einer Richtung passieren lässt und in der anderen Richtung wie ein Isolator wirkt.

Dioden bewirken eine Gleichrichtung von Wechselspannung, vergleichbar einem Rückschlagventil in einer Wasserleitung. Sie besitzen eine nichtlineare Kennlinie im Strom-Spannungs-Diagramm; außerdem ist diese Kennlinie bei positiven und negativen Spannungen meist stark asymmetrisch.

Wegen der Lichtempfindlichkeit sind Dioden in lichtdichten Gehäusen untergebracht, sofern die Lichtempfindlichkeit nicht genutzt werden soll, wie bei Photodioden.

Der Begriff Diode wird im engeren Sinne nur für mit einem p-n-Übergang arbeitende Gleichrichter-Dioden verwendet. Selen-Gleichrichter sowie auch Solarzellen werden jedoch nicht als Dioden bezeichnet, obwohl sie vom Aufbau her ähnlich sind. Auch bei den Elektronenröhren gibt es Dioden. Diese werden genauso wie die Halbleiterdioden zum Gleichrichten von Strömen verwendet, sind aber heute selten.

Schaltzeichen

(Gleichrichter-)Dioden in verschiedenen Bauformen

So funktioniert eine Diode

typische Germanium-Spitzendiode (Chip oben, Baujahr ca. 1965)

Aufbau einer Halbleiterdiode

Die Grundlage der Halbleiter-Diode ist entweder ein p-n-dotierter Halbleiterkristall (meist aus Silizium, aber auch Germanium, siehe Germaniumdiode, Galliumarsenid oder neuerdings auch Siliziumkarbid) oder ein Metall-Halbleiter-Übergang (siehe Schottky-Diode).

Die Leitfähigkeit eines solchen Übergangs hängt von der Polung der Betriebsspannung an Anode (p-dotiert) und Kathode (n-dotiert) beziehungsweise von der Stromflussrichtung ab. 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. Diese nennt man Antidiffusionsspannung. 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.

pn-Diode

Schottky-Diode

Bei der Schottky-Diode dagegen wird ein Metall-Halbleiter-Kontakt verwendet.

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 Sperrrichtung erfolgt, so wird der Stromfluss blockiert. In die Gegenrichtung muss der Druck groß genug werden, um den Federdruck des Ventils (Schleusenspannung) 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 Schwellenspannung ( $U S$ ) oder minimalen Vorwärtsspannung (engl. forward voltage drop). 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 Schleusenspannung $U S$ bei ca. 0,7 V.

Ein geschlossenes Kugelrückschlagventil.

Ein geöffnetes Kugelrückschlagventil.

Dieses Modell entspricht der Shockley-Formel (s. u. bei Ideale Diode), wodurch diese Formel u. a. auch zur näherungsweisen Berechnung von Ventilen geeignet ist.

Kennzeichnungen von Dioden

Halbleiterdioden, unten ein Brückengleichrichter

SMD-Halbleiterdiode

Dioden tragen meistens neben der Typenbezeichnung noch einen Ring zur Kennzeichnung des Kathodenanschlusses.

Siehe dazu die Abbildung rechts:

Das untere Bauteil ist ein Brückengleichrichter mit je zwei Anschlüssen für die anzulegende Wechselspannung „AC“ und die entnehmbare Gleichspannung „+“ und „−“.
Bei den mittleren Bauteilen sind die Ringe gut zu sehen.
Das obere Bauteil ist eine Leistungsdiode, hier ist meist das Gehäuse zugleich der Kathodenanschluss.

Manchmal ist auch direkt ein Dioden-Schaltungssymbol in entsprechender Richtung auf das Gehäuse gedruckt.

Die auf Dioden aufgedruckte Typbezeichnung enthält oft Parameter wie die Sperrspannung:

Bei Zenerdioden enthält die Typbezeichnung meist den Nennwert der Zenerspannung (z. B. BZX79-C5V1; Zenerspannung 5,1 Volt).
Bei Gleichrichterdioden ist in der Typbezeichnung oft die maximal zulässige Sperrspannung enthalten (z. B. 1N4004; 400 Volt Sperrspannung, aber: 1N4006 mit 800 Volt Sperrspannung). Bei älteren Typen (auch bei Brückengleichrichtern) gibt es auch die Schreibweise wie im Bild weiter oben „E40 C30“, was für 40 V Spannung (E) und 30 mA Strom (C) steht.

Kenngrößen und Formeln

Halbleiterdioden (Signaldioden, Gleichrichterdioden, aber auch Laser-, Schutz- und Leuchtdioden) haben bestimmte Kenngrößen zur Spezifikation. Sie sind in den Datenblättern genannt und sind wichtig für die Anwendung und die Bemessung deren Beschaltung mit anderen Bauteilen.

Die wichtigsten Kenngrößen und Grenzwerte von Dioden sind:

maximal zulässige Sperrspannung (Gleichrichter- und Signaldioden, Leucht- und Laserdioden)
maximaler Dauer- und Spitzenstrom in Durchlassrichtung (Gleichrichter- und Signaldioden, Leucht- und Laserdioden)
die Flussspannung oder auch Vorwärtsspannung, engl. forward voltage, $U F$ (Spannung an Diode in Durchlassrichtung) bei einem bestimmten Strom
bei Zenerdioden die maximale Dauer-Verlustleistung und die Zenerspannung
bei Gleichrichter- und Signaldioden die Schaltzeit (auch Sperrverzögerungszeit oder Sperr-Erholzeit, engl. reverse recovery time, kurz t_rr genannt)
bei Suppressordioden (TVS) die Ansprechzeit, die Energie und die Spitzenleistung, die beim Avalanche-Durchbruch in Sperrrichtung absorbiert werden kann, die Durchbruchspannung sowie die maximal ohne Durchbruch garantierte Spannung in Sperrrichtung
insbesondere bei Schottkydioden der stark temperaturabhängige Leckstrom (Sperrstrom)

Für die Kenngrößen werden in den Formeln weiter unten folgende Formelzeichen verwendet:

Spannung an Diode in Durchlassrichtung: $U F$ (Flussspannung)
Strom durch Diode in Durchlassrichtung: $I D$
Sättigungssperrstrom: $I S$
Diffusionsstrom: $I D, D$
Leckstrom: $I D, R$
Leck-Sättigungssperrstrom: $I S, R$
Durchbruchstrom: $I D, B R$
Emissionskoeffizient: $n$
Temperaturspannung: $U T$
Bahnwiderstand: $R B$
Differentieller Widerstand: $r D$
Arbeitspunkt: $A$ oder $A P$
Diodenkapazität: $C D$
Sperrschichtkapazität: $C S$
Diffusionskapazität: $C D, D$

Zusätzlich sind die folgenden Naturkonstanten wichtig:

Boltzmannkonstante: $k$
Elementarladung: $q$
Bandabstandsspannung (Gap voltage): $U G$

Im Folgenden werden die wichtigsten Formeln zur Beschreibung der Funktion von Dioden beschrieben.

Statisches Verhalten

Ideale Diode

Die Shockley-Gleichung (benannt nach William Bradford Shockley) beschreibt die Kennlinie der idealen Diode. Sie ist der Spezialfall einer Arrhenius-Gleichung und gilt bei U_F ≥ 0, wird gelegentlich aber auch zur Beschreibung für die Kennlinie bei U_F < 0 (Durchbruchsbereich) verwendet.

Kennlinie einer 1N4001 Diode (gilt für 1N4001 bis 1N4007)

$I_D = I_S \, \left( e^\frac{U_F}{n \, U_T} - 1 \right)$

Sättigungssperrstrom (kurz:Sperrstrom): $I_S \approx { 10^{-12} \dots 10^{-6} {\rm A}}$
Emissionskoeffizient: $n \approx 1 \dots 2$
Temperaturspannung: $U_T = {{k \cdot T} \over e}$ mit $k$ : Boltzmann-Konstante, $T$ : absolute Temperatur, $e$ : Elementarladung; $U_T\approx {25 \, {\rm mV }}$ bei Raumtemperatur.

Wenn man die resultierende Kennlinie betrachtet, nimmt der Strom durch die Diode I_D 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 U_F (forward Voltage, zu deutsch: Vorwärtsspannung oder Flussspannung) ab 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 U_BR 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 R_B als Schalter angesehen werden, welcher ab einer Spannung von 0,4 V schließt.

Der Strom durch die Diode setzt sich hierbei aus dem Diffusionsstrom I_D,D unter Berücksichtigung des Hochstromeffekts, dem Leckstrom I_D,R und dem Durchbruchsstrom I_DBR zusammen:

$I_{D} = I_{D,D} + I_{D,R} + I_{D,BR} \,$

Differentieller Widerstand

Der differentielle Widerstand ergibt sich aus der Tangente durch den Arbeitspunkt der Diode. Er wird auch als dynamischer Widerstand und als Wechselstromwiderstand bezeichnet. ^[1] Durch die Verwendung einer Geraden anstatt der tatsächlichen Exponentialfunktion werden die benötigten Rechenschritte wesentlich vereinfacht.

Vereinfachte Kennlinie

$r_D = \left.\frac{d U_D}{d I_D}\right|_A = \frac{n \cdot U_T}{I_{D, A} + I_S} \stackrel{\, I_{D,A} \gg I_S \,}{\approx} \frac{n \cdot U_T}{I_{D, A}}$

Arbeitspunkt: A

Bei großen Strömen wird $r D$ sehr klein, und der Bahnwiderstand $R B$ tritt zunehmend in Erscheinung. Dies ist ein realer Widerstand und rührt wesentlich aus der Leitfähigkeit des Grundmaterials des Diodenchips. Er ist im Ersatzschaltbild mit $r D$ in Serie.

Die Ersatzschaltung mit $r D$ und $R B$ eignet sich je nach Diodentyp nur bis zu Frequenzen von 10 bis 100 kHz. Bei höheren Frequenzen, wie sie auch beim Ein- und Ausschalten auftreten, muss man zusätzlich die kapazitiven Eigenschaften sowie die Sperrerholzeit 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:

$I_D({U_D,T}) = I_S(T) \left( e^\frac{U_D}{n U_T(T)}-1 \right)$

mit:

$U_{T}(T) = \frac{k \cdot T}{q} = 86{,}142 \, \frac{\mathrm{\mu V}}{\mathrm{K}} \cdot T \stackrel{\, T = 300 \, \mathrm{K} \,}{\approx} 26 \, \mathrm{mV}$

${I_S(T)} = {I_S(T_0)} \cdot {e^{\left({T \over T_0}-1\right)\cdot{{U_G(T)}\over{n U_T(T)}}}\cdot{\left({T \over T_0}\right)^ {{x_{T,I}} \over n}}}$ mit ${x_{T,I}} \approx 3$

Dabei ist $k = {1{,}38} \cdot 10^{-23} \, {\rm V \, A \, s \, K^{-1}}$ die Boltzmannkonstante, $q={1{,}602} \cdot 10^{-19} \, {\rm A \, s}$ die Elementarladung und $U_G = {\frac{1{,}12 \, {\rm eV}} {q}} = 1{,}12 \, {\rm V}$ die Bandabstandsspannung (gap voltage) von Silizium.

Diese Spannung kann in der Praxis tatsächlich für viele Überschlagsrechnungen als Wert der Flussspannung von Siliziumdioden und p-n-Übergängen angesetzt werden. Sie dient (oft temperaturkompensiert) zur Erzeugung von Referenzspannungen.

Zusätzlich muss man auch die Temperaturabhängigkeit der Spannung berücksichtigen:

${ \left.{{\part U_D} \over {\part T}} \right|_{{I_D = {\mathrm{const.}}}}} = {{U_D - U_G - {3} \cdot {U_T}} \over T} \begin{matrix} {T = 300 \, {\rm K}} \\ {U_D = 0{,}7 \, {\rm V}} \\ {\approx} \\ {} \\ {} \end{matrix} {-1{,}7 \, {\rm \frac{mV}{K}}}$

Dieser Wert ist hinreichend konstant bei Temperaturänderung, um damit anhand der Flussspannung Temperaturmessungen vorzunehmen.

Diffusionsstrom

Der Diffusionsstrom tritt im mittleren Durchlassbereich auf, wo er über die anderen Effekte dominiert. Die Formel ergibt sich aus der idealen Diode mit:

$I_{D,D} = I_S \left( e^{\frac{U_D}{n U_T}}-1 \right)$

Bei Schottky-Dioden kann man mit derselben Formel den Emissionsstrom beschreiben.

Hochstromeffekt

Der Hochstromeffekt bewirkt eine Zunahme von $n$ im Bereich der mittleren Ströme auf 2n bei I_K Hierbei beschreibt der Kniestrom $I K$ die Grenze zum Hochstrombereich.

Leckstrom (Rekombinationsstrom)

Der Leckstrom (Sperrstrom) ergibt sich aus:

${I_{D,R}} ={ I_{S,R} \cdot \left( e^{ { {U_D} \over {n_R \cdot U_T} }}-1 \right) \cdot \left[ {\left( 1-{ {U_D}\over{U_{\mathrm{diff}}} } \right) }^2 + 5 \cdot {10^{-3}} \right]^{m_S \over 2} }$

mit
$I S R$ - Leck-Sättigungssperrstrom
$n_R \ge 2$ - Emissionskoeffizient in Sperrrichtung

$U_{\mathrm{diff}} \approx {{0{,}5 \dots 1} \, {\rm V}}$ - Diffusionsspannung
$m_S \approx {\frac{1}{3} \dots \frac{1}{2}}$ - Kapazitätskoeffizient

Der Sperrstrom ist stark spannungs- und temperaturabhängig und hängt von der Herstellungstechnologie sowie Reinheit und Störstellenarmut ab.

Durchbruch

Der Sperrstrom einer pn-Diode in Sperrpolung ist im Allgemeinen gering. Vergrößert man jedoch die Spannung in Sperrrichtung $U R = - U D$ weiter, so steigt der Sperrstrom $I R = - I D$ ab einer bestimmten Sperrspannung zunächst langsam und dann schlagartig an. Diese Zunahme des Sperrstroms (reverse current) nennt man allgemein „Durchbruch“, und die zugehörige Spannung wird als Durchbruchspannung $U BR > - U D$ bezeichnet. Die Durchbruchspannung einer Diode hängt allgemein vom Halbleitermaterial und der Dotierung ab und kann für Gleichrichterdioden im Bereich zwischen 50 und 1000 V liegen.

$I_\mathrm{D,BR}= {- I_\mathrm{BR}} \cdot e^{- {{U_\mathrm{D} + U_\mathrm{BR}}\over{n_\mathrm{BR} \cdot U_\mathrm{T}}}}$

mit I_R, dem Durchbruchskniestrom, und $n_\mathrm{BR} \approx 1$ , dem Durchbruch-Emissionskoeffizient.

Für die meisten Halbleiterdioden ist dieser Zustand unerwünscht, da er bei gewöhnlichen Dioden aufgrund der hohen Verlustleistung und des dünnen, eingeschnürten Stromflusskanals das Bauelement zerstört. Ursache für den Durchbruch sind sehr hohe elektrische Feldstärken. Es lassen sich drei unterschiedliche Mechanismen unterscheiden: der Lawinen-, der Zener- und der thermische Durchbruch.

Der Lawinendurchbruch (auch Avalanchedurchbruch oder Avalancheeffekt genannt) zeichnet sich durch eine Ladungsträgervervielfachung durch Stoßionisation aus. Er wird beispielsweise bei der IMPATT-, der Suppressor-, der Avalanche oder der Avalanchefotodiode sowie bei Z-Dioden (auch Zener-Dioden genannt) höherer Spannung genutzt. Der Lawinendurchbruch ist auch bei manchen Gleichrichterdioden-Typen zulässig und spezifiziert, so dass diese bei einmaligen oder periodischen Überspannungsereignissen bis zu bestimmten Energien nicht zerstört werden.

Beim Zener-Durchbruch werden hingegen durch eine spezielle Dotierung die Energiebänder stark verschoben. Beim Überschreiten der Durchbruchspannung – in diesem Fall spricht man meist von der Zenerspannung $U Z$ – tritt ein Tunneleffekt auf, der es Valenzbandelektronen ermöglicht, ohne Energieaufnahme vom Valenzband in das Leitungsband zu wechseln. Der Zener-Durchbruch wird bei Z-Dioden bis etwa 5 Volt verwendet und dient unter anderem der Bereitstellung von Referenzspannungen.

Der thermische Durchbruch beschreibt den Zusammenbruch der Sperrspannung aufgrund hoher Temperatur und der damit verbundenen Ladungsträgergeneration. In der Regel führt er zur Zerstörung der Diode durch Diffusionsvorgänge.

Bahnwiderstand

Der Bahnwiderstand $R B$ wird durch den elektrischen Widerstand des Halbleitermaterials sowie dem Widerstand des Anschlusses am Halbleiter verursacht. Der Bahnwiderstand wird durch die folgende Formel berücksichtigt:

$U_D = U'_D + I_D \cdot R_B$

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

Verlauf der 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.

$C_S(U'_D) = \frac{C_{S0}}{ {\left( 1- \frac{U'_D}{U_{\rm diff}} \right)}^{m_S}} \, \quad {\rm wenn} \quad {U'_D} < {U_{\rm diff}}$

Die Null-Kapazität $C_{S0} = C_{S}(0\,\mathrm{V})$ ist direkt proportional zur Fläche des pn-Überganges. Die Diffusionsspannung $U diff$ ist ebenfalls von der Dotierung abhängig. Mit steigender Dotierung nehmen $C S 0$ und $U diff$ zu. Die Diffusionsspannung $U diff$ liegt üblicherweise im Bereich zwischen 0,5 und 1 Volt.

Der Kapazitätskoeffizient $m s$ stellt das Dotierungsprofil des pn-Überganges dar. Direkte Übergänge von der p- in die n-Schichten führen zu einem Wert von $m_s \approx 0{,}5$ , während Übergänge mit linearem Verlauf von der p- in die n-Schichten zu einem Wert von $m_s \approx 0{,}3$ führen.

Die obenstehende Formel für $C S$ ist nur bis zu einem Wert von etwa $U'_D = 0{,}5 \, U_{\rm diff}$ gültig. Die Formel kann also — wie in der Grafik punktiert dargestellt — den tatsächlichen Verlauf von $C S$ in diesem Bereich nicht wiedergeben. Über diesem Wert nimmt $C S$ nur noch schwach zu. Für einen Wert von $U'_D > f_S \, U_{\rm diff}$ wird der weitere Verlauf von $C S$ durch die Tangente im Punkt $U'_D = f_S \, U_{\rm diff}$ ersetzt, welches dem tatsächlichen Verlauf sehr nahe kommt:

$C_S \left( U'_D > f_S \, U_{\rm diff} \right) = C_S \left( f_S \, U_{\rm diff} \right) + \frac{\mathrm{d} C_S}{\mathrm{d} f_S\, U_{\rm diff}} \left( U'_S - f_S \, U_{\rm diff} \right)$

Durch Einsetzen erhält man die Gleichung

$C_S(U'_D) = C_{S0} \cdot \begin{cases} { \frac 1 {{\left( 1 - \frac{U'_D}{U_{\rm diff}} \right) }^{m_S}} } & \mbox{wenn} \quad {{U'_D} \le {f_S \cdot U_{\rm diff}}} \\ {\frac {1 - f_S \cdot { \left( 1 + m_S \right) } + \frac{ m_S \cdot U'_D }{U_{\rm diff}}}{ { \left( 1 - f_S \right) }^{ \left( 1 + m_S \right) }}} & \mbox{wenn} \quad {U'_D > f_S \cdot U_{\rm diff}} \end{cases}$

Hierbei ist $f_S \approx 0{,}4 \cdots 0{,}7$ .

siehe auch: Kapazitätsdiode

Diffusionskapazität

Bei Anlegen einer Durchlassspannung kommt es in den Bahngebieten (also außerhalb der Raumladungszone) zu Minoritätsträgerüberschüssen, die die so genannten Diffusionsladungen bilden. Diese räumlich getrennten Ladungen müssen bei Änderungen der Durchlassspannung auf- bzw. abgebaut werden und beeinflussen somit das dynamische Verhalten der Diode:

bei schnellem Umpolen in Sperrrichtung verstreicht die sogenannte Sperrerholzeit (engl. reverse recovery time), bis die Diode tatsächlich sperrt
bei schnellem Stromanstieg in Flussrichtung steigt die Flussspannung zunächst etwas über den statischen Wert.

Die erstgenannte Erscheinung lässt sich durch die Diffusionskapazität beschreiben. Die durch den Stromfluss resultierende Verlustwärme in der Diode verursacht eine Erhöhung der Minoritätsladungsträgerdichte und somit eine Vergrößerung der Diffusionskapazität und der Schaltverluste.

I_DD wird als Diffusionsstrom bezeichnet, und $τ T$ ist die so genannte Transitzeit:

$C_{D,D}{ \left( U'_D \right) }= \frac{\part Q_D}{\part U'_D} = \frac{{\tau}_T \cdot I_{DD}}{n U_T} \cdot \frac{1+ \frac{I_S}{2 \cdot I_K} \cdot e^{ \frac{U'_D}{n \cdot U_T}}}{1+ \frac{I_S}{I_K} \cdot e^{ \frac{U'_D}{n \cdot U_T}}}$

Näherungsweise kann man auch annehmen, dass für den Diffusionsbereich $I_{DD} \gg I_{DR}$ und damit auch $I_D \approx I_{DD}$ gilt. Daraus ergibt sich die Näherungsgleichung:

$C_{D,D} \approx {\frac{{\tau}_T \cdot I_D}{n \cdot U_T} \cdot \frac{1 + \frac{I_D}{2 \cdot I_K}}{1 + \frac{I_D}{I_K}} { \begin{matrix} { I_D \ll I_K } \\ {\approx} \\ {} \end{matrix} } \frac{{\tau}_T \cdot I_D}{n \cdot U_T}}$

Bei Si-Dioden ist ${\tau}_T \approx 1 \dots 100 \, {\rm ns}$ .
Bei Schottky-Dioden ist ${\tau}_T \approx 1 \dots 100 \, {\rm ps}$ , deshalb kann bei Schottky-Dioden die Diffusionskapazität meist vernachlässigt werden.

Die Diffusionskapazität bzw. die Sperrerholzeit verursacht Verluste bei schnellen Schaltanwendungen (Schaltnetzteile), daher verwendet man hier – falls Schottkydioden aufgrund ihrer begrenzten Sperrspannung nicht angewendet werden können – besonders schnelle Siliziumdioden.

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

Kleinsignalmodell einer Diode

Das statische Kleinsignalmodell wird zur Dimensionierung der Arbeitspunkteinstellung von einfachen Schaltungen herangezogen.

$r_D = r_{D,D} \approx \frac{n \cdot U_T}{I_{D,A}}$

$r_Z = r_{D,BR} = {\frac{n_{BR} \cdot U_T}{ \left| I_{D,A} \right|}}$

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.

$r_D \approx {{n \cdot U_T} \over {I_{D,A}}}$

$C_D \approx {{{{\tau}_T \cdot I_{D,A}} \over {n \cdot U_T}} + 2 \cdot C_{S0}} = {{{\tau}_T \over r_D} + 2 \cdot C_{S0}}$

Kennzeichnung und Beschriftung

Die Kathode unipolarer Dioden ist meist mit einem Ring oder Farbpunkt gekennzeichnet. Der Kathodenanschluss von Leuchtdioden ist durch einen Farbpunkt, ein kürzeres Anschlussbein und/oder eine Gehäuseabflachung gekennzeichnet. Bei Laserdioden ist die Anode meist mit dem Gehäuse verbunden.

Der Diodentyp kann nach 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- bis dreistelligen Zahl zusammen.

Beispiel: B C X 70

Kennbuchstabe = Ausgangsmaterial
Kennbuchstabe = Hauptfunktion
Kennbuchstabe = Hinweis auf kommerziellen Einsatz (als dritter Buchstabe wird bei kommerziellen Bauelementen X, Y oder Z benutzt)
Ziffern = Registernummer (2 oder 3 Ziffern)

1. Kennbuchstabe	Ausgangsmaterial
A	Germanium
B	Silizium
C	z. B. Gallium-Arsenid (Energieabstand ≥ 1,3 eV)
D	z. B. Indium-Antimonid (Energieabstand ≥ 0,6 eV)
R	z. B. Fotohalbleiter- und Hallgeneratoren-Ausgangsmaterial

2. Kennbuchstabe	Bedeutung
A	Diode
B	Kapazitätsdiode
C	NF-Transistor
D	NF-Leistungstransistor
E	Tunneldiode
F	HF-Transistor
G	z. B. Oszillatordiode
H	Hall
K (M)	Hallgenerator
L	HF-Leistungstransistor
N	Optokoppler
P	z. B. Fotodiode, Fotoelement
Q	z. B. Leuchtdiode
R	Thyristor
S	Schalttransistor
T	z. B. steuerbare Gleichrichter
U	Leistungsschalttransistor
X	Vervielfacher-Diode
Y	Leistungsdiode
Z	Z-Diode

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

Es gibt eine Reihe von Halbleiterdioden für unterschiedliche Einsatzzwecke:

Gleichrichtung: Für die Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung werden bei großen Leistungen Leistungsgleichrichter (p⁺sn⁺-Diode) verwendet. Verwendet werden Silizium-PN-Dioden oder Silizium-Schottkydioden. Veraltete Typen sind die Germaniumdiode, der Kupferoxydul-Gleichrichter, der Selen-Gleichrichter („Trockengleichrichter“), die Röhrendiode und der Ionen-Gleichrichter. Verpolungsschutz-Dioden und Freilaufdioden sind ebenfalls Gleichrichterdioden. Hochspannungsdioden bestehen aus mehreren in einem Gehäuse in Reihe geschalteten Diodenchips.

Kleinsignaldioden: Kleinsignal-Dioden dienen der Gleichrichtung von Signalen (Demodulator, siehe auch Spitzendiode), als Mischer, als Spannungsreferenz und zur Temperaturmessung bzw. -kompensation (Flussspannung bei Siliziumdioden ca. 0,7 V, temperaturabhängig)

Spannungsstabilisierung: Für die Spannungsstabilisierung und zur Überspannungsbegrenzung kommen Zener-Dioden (auch Z-Diode genannt) und die ähnlich aufgebauten Suppressordioden zum Einsatz. Hier wird der in Sperrrichtung auftretende Zenereffekt und der Avalancheeffekt genutzt. Bipolare Suppressordioden für den Einsatz an Wechselspannung bestehen aus zwei gegeneinander in Serie geschalteten unipolaren Dioden.

Stromstabilisierung: Die Stromregeldiode ist eigentlich eine integrierte Schaltung aus einem Widerstand und einem JFET. Sie dient als Konstantstromquelle.

Optik: Für optische Zwecke dienen die Laserdiode, die Fotodiode, die Lawinenphotodiode (Avalanche-Fotodiode) und die Leuchtdiode (kurz LED).

Infrarot-Leuchtdiode

Kapazitive Dioden: Kapazitätsdioden (auch Varaktor oder Varaktordiode genannt) sind p-i-n Dioden, deren von der Sperrspannung abhängige Sperrschichtkapazität als steuerbarer Kondensator genutzt wird.

Gesteuerte Gleichrichter und verwandte Bauelemente: Zur Gruppe der gesteuerten Gleichrichter gehören die Vierschichtdiode und der Thyristor. Des Weiteren werden die Diac (Zweirichtungsdiode) sowie der Unijunction-Transistor hinzugerechnet.

Neben den oben genannten Diodentypen gibt es noch eine ganze Reihe von weiteren Typen, die sich keiner bestimmten Kategorie zuordnen lassen oder seltener eingesetzt werden.

Der Avalancheeffekt wird in Avalanchedioden ausgenutzt. Weitere Dioden sind die Feldeffektdiode (Curristor), die Gunndiode, die Tunneldiode, der Sirutor, die IMPATT-Diode oder Lawinenlaufzeitdiode (kurz LLD) und die Speicherschaltdiode (engl. Step-Recovery-Diode), eine Sonderform der Ladungsspeicherdiode.

Die Schalterdiode (auch Schaltdiode) ist eine Kleinsignal-Diode mit besonders schnellem Schaltverhalten, geringer Sperrschichtkapazität und geringem differentiellem Widerstand und dient zum Schalten von Hochfrequenz, indem sie entweder mit einer Sperr-Gleichspannung oder mit einem Gleichstrom in Durchflussrichtung beaufschlagt wird.

Die Schottky-Diode ist ein besonders schneller Gleichrichter.

Siehe auch

Literatur

Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage, Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-42849-6.
Marius Grundmann: The Physics of Semiconductors. An Introduction Including Device and Nanophysics. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-25370-X (eng.).
Holger Göbel: Einführung in die Halbleiter-Schaltungstechnik. 2. Auflage, Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-34029-7.
Ulrich Nicolai, Tobias Reimann, Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Applikationshandbuch IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule. 1. Auflage. ISLE Verlag, 1998, ISBN 978-3-9326-3324-9 (PDF-Version).

Weblinks

Einzelnachweise

↑ Formeln und Tabellen Maschinenbau, Vieweg Verlag 2007, ISBN 978-3-8348-0032-9

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Diode“

Kategorien: Leistungselektronik | Diode | Halbleiterbauelement

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