Halbleiterdiode

Die Halbleiterdiode ist ein elektrisches Bauelement, dass im wesentlichen aus zwei dotierten Halbleitern besteht. Auf dieser Seite sollen der Aufbau, die Funktion und die Schaltung einer Halbleiterdiode beschrieben werden. Dazu wird als erstes die Kennlinie einer Diode aufgenommen. 

Die nebenstehende Skizze zeigt das Schaltsymbol deiner Halbleiterdiode.

Symbol Diode

Eine Diode wird entsprechend nebenstehender Zeichnung an einen Spannungsteiler R2 angeschlossen. Weiter befindet sich ein Widerstand R1 in Reihe. Der Widerstand R1 ist erforderlich, um den Strom zu begrenzen, da der Widerstand der Diode in Durchlassrichtung gegen Null geht. Würde der Strom nicht durch den Widerstand begrenzt werden, könnte er so stark ansteigen, dass er die Diode zerstört.

Über den Spannungsteiler / Potentiometer erfolgt eine zusätzliche Begrenzung des Stromes. Die Spannung an der Diode kann zwischen 0 V und < UB reguliert werden.

 Die Spannung wird von 0 V … 1,0 V langsam in Schritten von 0,1 V erhöht und der Strom wird gemessen. Im zweiten Teil des Experimentes wird die Diode umgedreht und die Messung wird wiederholt.

Kennlinie einer Diode

Die Messungen ergeben die nebenstehende Kennlinie.

Ab einer Spannung von ca. 0,7 V leitet die Diode in einer Richtung den Strom. →Durchlassrichtung

Ab einer Spannung von ca. 0,7 V nimmt der Widerstand der Diode ab.

In der anderen Richtung leitet die Diode den Strom nicht, sie hat einen quasi unendlich großen Widerstand und wirkt wie ein geöffneter Schalter. →Sperrrichtung

BEACHTE, dass die Maßstäbe und Einheiten für Durchlassrichtung (I in mA) und Sperrrichtung (I in µA) der Diode verschieden sind!

Kennlinie einer Si-Diode

Eine Diode verhält sich ähnlich wie ein Ventil. Bewegen sich die Ladungsträger in Durchlassrichtung, so können sie das Ventil passieren.

Bewegen sich die Ladungsträger in Sperrrichtung, so bleibt das Ventil geschlossen.

Diode in Durchlassrichtung
Diode in Sperrrichtung
Aufbau Experiment

Aufbau

Halbleiterdioden bestehen im Wesentlichen aus einer n-dotierten und einer p-dotierten Schicht. (s. Grafik)

Wenn keine Spannung an der Diode anliegt, werden sich die freien Ladungsträger (Elektronen) ungeordnet bewegen. Dabei gelangen, in einem schmalen Grenzbereich, Elektronen aus dem n-dotierten Bereich in den p-dotierten Bereich (roter Pfeil in der Grafik).

Wenn ein Elektron aus dem n-dotierten Bereich auf ein Loch bzw. eine Lücke im n-dotierten Bereich trifft, dann wird es diese Lücke besetzen. Elektron und Loch rekombinieren.

Durch die voll besetzten Außenschale sind die Elektronen hier besonders fest gebunden. (siehe  Kristallgittermodell) Es entsteht ein Bereich ohne frei bewegliche Ladungsträger, die Sperrschicht.

Erklärung

Sperrrichtung:

Wenn an der n-dotierten Seite der Diode der Minuspol und an der p-dotierten Seite der Pluspol einer Spannungsquelle angelegt wird, dann leitet die Diode nicht.

Die negative Spannung an der p-dotierten Schicht verschiebt die Elektronen in Richtung der Grenzschicht. Die positive Spannung an der n-dotierten Schicht verschiebt die Löcher in Richtung der Grenzschicht.

 

Durchlassrichtung:

Wenn an der p-dotierten Seite der Diode der Minuspol und an der n-dotierten Seite der Pluspol einer Spannungsquelle angelegt wird, dann wird die Diode oberhalb einer Grenzspannung leitend. Für Si-Dioden liegt diese Spannung bei ca. 0,7 V.

Die negative Spannung an der p-dotierten Schicht verschiebt die Elektronen in Richtung der Grenzschicht. Die positive Spannung an der n-dotierten Schicht verschiebt die Löcher in Richtung der Grenzschicht. Die Löcher und die Elektronen können immer wieder rekombinieren. Es entsteht ein Stromfluss.

Dabei bewegen sich ausschließlich die Elektronen. Die Atomrümpfe der Si-Atome und der zur Dotierung eingebrachten Bor- und Phosphor-Atome sind ortsfest.

Die Grenzspannung von 0,7 V ist erforderlich, um die energetische Schwelle, die durch die Sperrschicht aufgebaut wurde, zu überwinden. (vgl. Bändermodell)

Einen etwas anderen Ansatz der Erklärung findet ihr hier.

Halbleiterdioden werden u.a. genutzt, um Ströme gleichzurichten. 

  • Gleichrichterschaltungen
  • Leuchtdioden