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Was machen Dioden eigentlich?
Dioden (Schaltplansymbol in der Grafik) sind Bauteile, die den Strom nur in
einer Richtung passieren lassen, nämlich von der Anode (dem Plus-Pol) zur
Kathode (dem Minus-Pol). Sie sind also so etwas wie Einbahnstrassen für den
elektrischen Strom.
Jene Richtung, in der Strom durch die Diode fliessen kann (von der Anode zur
Kathode), nennt man Durchlassrichtung. Die entgegengesetzte Richtung, in der
kein Strom fliessen kann, nennt man Sperrrichtung.
Wird die Diode in Durchlassrichtung betrieben fällt an ihr immer mindestens
die konstante Flussspannung (auch Durchlassspannung, Forward-Voltage, ON-Voltage)
UF
ab. Wird die Diode in einem Spannungsteiler betrieben, so wird ihr
Widerstand automatisch gross genug damit diese Spannung an ihr abfällt. Liegt
eine Spannung kleiner als UF
an, so wird der Widerstand der Diode unendlich
gross und es fliesst kein Strom.
Die Höhe der Flussspannung hängt vom Material ab, aus dem die Diode
gemacht ist. Bei Silizium-Dioden liegt UF
bei etwa 0,6 bis 0,7 Volt und
bei Germanium-Dioden bei etwa 0,3 bis 0,4 Volt.
Eine ideale Diode lässt in der Sperrrichtung nie Strom zu. Reelle Dioden
besitzen aber eine sogenannte Durchbruchsspannung (engl. Peak Inverse Voltage,
Breakdown Voltage), ab der auch in Sperrrichtung Strom fliesst. Darüber hinaus
gibt es auch bei einer sperrenden Diode immer kleine Leckströme,
die auch Sperrströme genannt werden. Informationen zu diesen Eigenschaften
entnimmt man am besten dem Datenblatt des jeweiligen Bauteils.
Leiter und Nichtleiter
Materie besteht aus Atomen, welche wiederum aus elektrisch negativ geladenen
Elektronen, elektrisch positiv geladenen Protonen und elektrisch neutral
geladenen Neutronen besteht. Protonen und Neutronen bilden den Atomkern der im
wesentlichen unveränderbar ist (man kann ihn unter gewissen Bedingungen
spalten oder auch darauf warten dass er von alleine auseinanderfällt - aber
das sprengt den Rahmen dieses Textes).
Die Elektronen sind in Schalen - den sogenannten Orbitalen - um den Atomkern
angeordnet. Die Elektronen in der äussersten Schale sind für die chemischen
Bindungen verantwortlich. Je nachdem, wie die chemischen Bindungen in einem
Stoff aussehen, gibt es manchmal freie Elektronen, die sich bewegen können
und/oder Löcher, in die weitere Elektronen hineinpassen.
Diese freien Elektronen sind die negativen Ladungsträger (denn Elektronen
sind negativ geladen) und die freien Löcher sind die positiven Ladungsträger
(denn wenn ein Loch mehr da ist steht den positiv geladenen Protonen im
Atomkern eine negative Ausgleichsladung weniger gegenüber).
Elektrischer Strom besteht aus bewegten Ladungen, also bewegten
Ladungsträgern. Wenn sich Ladungsträger bewegen tauschen immer ein
Elektron und ein Loch den Platz. Es ist also nicht möglich, dass sich
ein negativer Ladungsträger (Elektron) bewegt ohne dass ein positiver
Ladungsträger (Loch) die entgegengesetzte Bewegung ausführt.
Stoffe, die solche Ladungsträger besitzen, und eine Struktur aufweisen, die es
den Ladungsträgern erlaubt sich zu bewegen, nennt man elektrische Leiter, denn
durch sie kann elektrischer Strom fliessen.
Stoffe die diese Fähigkeit nicht besitzen nennt man dementsprechend
Nichtleiter.
Halbleiter
Halbleiter besitzen eine Struktur, die es Ladungsträgern
erlaubt sich zu bewegen, besitzen selbst aber keine freie Ladungsträger.
Weil es in einem Halbleiter keine Ladungsträger (freie Elektronen
oder Löcher) gibt kann auch kein Strom fliessen. Es müssen erst
freie Ladungsträger in den Halbleiter eingebracht werden.
Das geschieht indem man den Halbleiter gezielt mit anderen Stoffen
verunreinigt, welche Ladungsträger bereitstellen. Diesen Vorgang der
gezielten Verunreinigung nennt man Dotieren.
Bei der N-Dotierung werden dem Halbleiter sogenannte Donatoren, das sind Atome, die freie
Elektronen, also negative Ladungsträger, bereitstellen,
beigemengt.
Bei der P-Dotierung werden sogenannte Akzeptoren, das sind Atome, welche Löcher,
also positive Ladungsträger, bereitstellen, dem Halbleiter beigemengt.
Einen N-dotierten Halbleiter kann man nun positiv laden, indem man ihm die
zusätzlich erworbenen freien Elektronen entzieht und sie damit durch positiv
geladene Löcher ersetzt.
Einen P-dotierten Halbleiter kann man nun negativ laden, indem man ihm die
zusätzlich erworbenen Löcher mit Elektronen stopft.
Damit leiten dotierte Halbleiter - aber mit der Einschränkung, dass man bei
einem N-dotierten Halbleiter zunächst auf der einen Seite Elektronen wegnehmen
muss bevor auf der anderen Seite Elektronen hineinkommen können. Bei einem
P-dotierten Halbleiter ist es umgekehrt: Zuerst müssen Elektronen
hineinfliessen bevor man an der anderen Seite Elektronen entfernen kann.
P-N Übergang
Wenn man einen P-dotierten Halbleiter und einen N-dotierten Halbleiter
miteinander verbindet, dann entsteht ein sogennanter P-N Übergang. So ein P-N
Übergang hat eine faszinierende Eigenschaft: An der Grenzfläche tauschen die
Elektronen aus dem N-Halbleiter mit den Löchern aus dem P-Halbleiter Platz,
und zwar so lange bis eine gewisse materialabhängige Spannung aufgebaut wurde.
Den Bereich am P-N Übergang an dem sich diese Spannung aufbaut nennt man
Sperrschicht. Da sich hier die Ladungsträger aus dem N-Halbleiter und dem
P-Halbleiter gegenseitig neutralisieren, gibt es hier wieder die gleiche
Situation wie bei einem nicht dotierten Halbleiter: Es gibt keine freien
Ladungsträger und daher kann kein Strom fliessen.
Daher nennt man die Sperrschicht manchmal auch Verarmungszone: Hier herrscht
Armut an freien Ladungsträgern.
Eine Diode ist nun nichts anderes als ein solcher P-N Übergang.
Betreibt man die Diode in Durchlassrichtung (Plus an die P-Seite, Minus an die
N-Seite) so 'drückt' die anliegende Spannung die Sperrschicht zusammen. Wenn
die anliegende Spannung grösser ist als die Sperrschichtspannung, so
verschwindet die Sperrschicht ganz und der Strom kann fliessen.
Schliesst man die Diode allerding in Sperrrichtung an, so 'zieht' die
anliegende Spannung die Sperrschicht nur noch weiter ausseinander, bei hohen
Spannungen bis die Sperrschicht über die ganze Diode geht, ein konstanter
Strom kann jedoch nicht fliessen.
Strom-Spannungs-Kennlinien, Shockley-Gleichung
Bei elektronischen Bauelementen gibt es immer einen Zusammenhang zwischen der
Spannung, die an ihnen anliegt, und dem Strom, der durch sie
hindurchfliesst. Bei Leitern und Widerständen wird diese
Beziehung durch das Ohmsche Gesetz beschrieben:
Wenn man für R
konkrete Werte einsetzt, erhält man die so genannte
U-I-Charakteristik eines entsprechenden Widerstandsbauteils. Man kann diese
U-I-Charakteristik auch in einem Diagramm als sogenannte
Strom-Spannungs-Kennlinie (meistens nur kurz als " Kennlinie" bezeichnet)
darstellen. Dabei wird meistens die Spannung auf der X-Achse und der Strom auf
der Y-Achse abgebildet.
Aus der Kennlinie kann man recht einfach die U-I-Charakteristik eines
Bauteils wie einer Diode ablesen, ohne sich mit den Details der
darunterliegenden Gleichungssysteme auseinandersetzen zu müssen.
Die Kennlinien für 100 Ω, 220 Ω sowie 470
Ω Widerstände sehen demzufolge so aus:
Die folgende Abbildung zeigt die Kennlinie einer Diode, vom Durchbruchsbereich
bis zum Flussbereich, in schematischer Weise.
Konkrete Werte für so eine Diodenkennlinie können entweder durch Messungen
gewonnen oder mit der Shockley-Gleichung berechnet werden.
Die Shockley-Gleichung ist etwas aufwendiger als das Ohmsche Gesetz und lautet
wie folgt:
Dabei haben die einzelnen Variablen in der Shockley-Gleichung die folgende
Bedeutung:
ID
|
Der Strom, der durch die Diode hindurchfliesst |
IS
|
Der Sättigungssperrstrom. Das ist der maximale Leckstrom in
Sperrrichtung vor dem Durchbruch. Wenn die Diode in Sperrrichtung
betrieben wird ist der Sättigungssperrstrom sehr schnell (mit nur
wenig Spannung) erreicht und nimmt dann erst beim Erreichen der
Durchbruchsspannung zu.
Der Sättigungssperrstrom ist abhängig von der Fläche des
NP-Übergangs, den verwendeten Materialien und vor allem der
Temperatur.
Bei 300 °K (26,85 °C) beträgt
IS
für Silizium-Dioden etwa 10 pA und für
Germanium-Dioden etwa 100 nA.
Das Kürzel p steht für Piko und bedeutet ein Billionstel.
Das Kürzel n steht für Nano und bedeutet ein Milliardstel.
Bei einem Temperaturanstieg von etwa 10 °K (= 10
°C) verdoppelt sich IS
.
Wenn man also den Sättigungssperrstrom für die Temperatur T0
kennt (im folgenden kurz IS,T0
), kann man daraus den
Sättigungssperrstrom für jede beliebige andere Temperatur T
ableiten (im folgenden kurz IS,T
):
Die Verdoppelung alle 10 °K ist aber auch nur eine
Näherung und nicht einmal über den ganzen Temperaturbereich konstant.
Eine akkurate Bestimmung von IS
ist daher nur durch eine sehr
genau Messung möglich.
|
e
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Die Eulersche Zahl.
|
UD
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Die Spannung, die an der Diode anliegt. |
n
|
Der Emissionskoeffizient. Bei einer idealen Diode, die nur als
theoretisches Model existiert, hat diese Variable den Wert 1. Bei
reellen Bauteilen liegt er - abhängig vom Bauteil - zwischen 1 und 2.
|
UT
|
Die Temperaturspannung. Bei Raumtemperatur beträgt sie etwa
0,026 Volt.
UT
kann mit folgender Formel berechnet werden:
Wobei k
die Bolzmannkonstante und q
die Elementarladung ist.
Diese beiden Konstanten haben die Werte:
T
gibt die Temperatur in °K (Kelvin) an. Das ist die
Temperatur in °C plus 273,15.
|
Mit der Shockley-Gleichung lassen sich nun die Kennlinien von Dioden aus
unterschiedlichen Halbleiter-Materialien bei unterschiedlichen Temperaturen
bestimmen:
Die Datenblätter der Bauteile beinhalten in der Regel
Strom-Spannungs-Kennlinien für die unterschiedlichsten Parameter (wie z.Bsp.
für verschiedene Temperaturen und gegebenenfalls die unterschiedlichen
Betriebsmodi des Bauteils).
Die nachstehende Abbildung zeigt die Kennlinien aus dem Datenblatt zu einer
1N4148 Schaltdiode der Firma Hitachi. Das Diagramm auf der linken Seite zeigt
die Kennlinien für die Flussspannung und das Diagramm auf der rechten Seite
die Kennlinien für die Leckströme in Sperrrichtung. Die unten
stehenden Diagramme benutzen eine logarithmische Skalierung auf der Stromachse.
Das erklärt die veränderte Form der Kurven im Vergleich zur oben gezeigten
Grafik.
Die Daten für diese Kennlinien stammen in der Regel aus Messungen mit
Testschaltungen und nicht aus mathematischen Modellen wie der
Shockley-Gleichung. Solche Daten aus Messungen sind meist zutreffender
als die Modellrechnungen und daher für die Konzeptionierung von Schaltungen
von grösserer Bedeutung.
Spezielle Dioden
Es gibt viele spezielle Diodentypen für diverse Anwendungsgebiete. Einige
dieser speziellen Diodentypen sollen vorgestellt werden:
Gleichrichterdioden schalten relativ langsam und
sind auf geringe Durchlassverluste sowie hohe Spannungsfestigkeit beim Betrieb
in Sperrrichtung optimiert.
Kleinsignal- oder Schaltdioden schalten relativ
schnell, vertragen aber keine grossen Ströme und haben nur eine geringe
Spannungsfestigkeit beim Betrieb in Sperrrichtung.
Zener-Dioden, oder auch Z-Dioden, (Schaltplansymbol
links) sind Dioden die in Sperrrichtung ab einer gewissen Spannung, der
sogenannten Durchbruchspannung, leitend werden. Zu kaufen sind Zener-Dioden mit
Durchbruchspannungen von etwa 3 bis 100 Volt, wobei der Wert der
Durchbruchsspannung angegeben ist. Zener-Dioden werden normalerweise in
Sperrrichtung betrieben und dienen der Spannungsbegrenzung.
![[Bild: schottky_schem.png]](schottky_schem.png)
Die Schottky-Dioden (Schaltplansymbol rechts) benutzen
einen Halbleiter-Metall-Übergang statt eines Halbleiter-Halbleiter-Übergangs.
Sie zeichnen sich durch eine sehr kleine Flussspannung und schnelles
Schaltverhalten aus. Dafür haben Schottky-Dioden höhere Leckströme als
normale Dioden und sind auch teurer.
Leuchtdioden (LEDs) wandeln einen Teil der Energie, die
freigesetzt wird wenn der elektrische Strom den P-N-Übergang passiert, in
Licht um. Fotodioden wandeln Licht, das am P-N-Übergang
auftrifft, in Strom um der dann 'aussen herum' wieder in die Diode
zureuckfliessen möchte. Bei LEDs sowie Fotodioden handelt es sich im Grunde
um die gleichen Bauteile, die jeweils auf eines der Anwendungsgebiete hin
optimiert sind.
LEDs
![[Bild: led.png]](led.png)
Bei Leuchtdioden liegt die Flussspannung etwas höher als bei
normalen Dioden, und zwar bei 1,3 bis 4 Volt - abhängig von Farbe und
Leuchtkraft.
Die Abbildung rechts zeigt einen Schaltplan mit einer Leuchtdiode ( D1
).
Das Symbol für die Leuchtdiode ist das gleiche Symbol wie das für eine Diode,
nur dass zwei zusätzliche Pfeile das abgestrahlte Licht symbolisieren. Häufig
werden aber die Pfeile auch einfach weggelassen und es geht nur aus dem Kontext
hervor, ob es sich um eine normale Diode oder um eine Leuchtdiode handelt.
LEDs werden gerne für Anzeigen anstelle von Lampen eingesetzt, weil sie
kleiner und billiger sind, weniger Strom benötigen um zu leuchten und
eine längere Lebensdaür haben als Glühbirnen.
Leuchtdioden sollten niemals direkt an eine Batterie angeschlossen werden, da
es in so einer Beschaltung praktisch unmöglich ist, die Spannung so zu
wählen, dass zwar genügend Strom durch die LED fliesst um sie kräftig zum
Leuchten zu bringen, aber nicht so viel dass sie nicht schnell ausfällt. Daher
werden LEDs in der Regel - wie im Schaltplan gezeigt - mit einem Widerstand
als Strombegrenzer in Serienschaltung betrieben.
Die Dimensionierung des Vorwiderstandes ist natürlich von der Art der LED
sowie der anliegenden Spannung abhänig. Bei den meisten LEDs und Spannungen
von weniger als 10 Volt ist ein 470 Ω Widerstand eine gute Wahl.
Bauformen, LEDs
![[Bild: bauformen.jpg]](bauformen.jpg)
Die Abbidung zeigt oben eine "normale" Diode in axialer Bauform. Wenn
man genau hinsieht erkennt man an der unteren Seite einen etwa 0,5 Millimeter
breiten schwarzen Strich. Dieser Strich markiert die Kathode.
Darunter zeigt die Abbildung eine Leuchtdiode in radialer Bauform. Die
Anschlüsse einer solchen LED sind unterschiedlich lang, wobei die Kathode am
kürzeren Anschluss liegt.
Errata zum Video
Das Symbol für eine Leuchtdiode hat keine "Blitze", wie Clifford im Video
behauptet, sondern gerade Pfeile.
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