Im Alltag nutzt Du ständig Dioden. Allein beim Benutzen des Smartphones sind mindestens drei verschiedene Arten von Dioden wichtig. Dioden in Form eines Gleichrichters im Ladegerät, LEDs etwa für die Taschenlampe und Fotodioden als Lichtsensor.
Ferner werden auch sogenannte Schottky- und Zener-Dioden verwendet. Verschiedene Dioden unterscheiden sich in Aufbau, Funktion und Schaltzeichen. Gemeinsam haben sie nicht nur ihre Herstellung durch Dotierung.
Diode Definition
So unterschiedlich Dioden auch sein können, haben sie dennoch Gemeinsamkeiten in Verhalten und Aufbau.
Die Diode ist ein elektrisches Bauelement, dessen Widerstand abhängig von der Richtung und der Stärke der angelegten Spannung ist.
Eine Diode besitzt allgemein zwei Betriebsarten (Richtung der angelegten Spannung): Durchlass- und Sperrrichtung.
Wird die Diode in Durchlassrichtung betrieben, stellt sie einen geringen Widerstand dar. Ein Strom kann fließen.
Beim Betrieb in Sperrrichtung hingegen stellt die Diode einen (fast) unendlichen Widerstand dar. Es fließt kein oder nur ein sehr geringer Strom.
Herrscht eine sehr hohe Spannung (Durchbruchspannung) in Sperrrichtung an der Diode, kommt es zu einem sprunghaften Anstieg des Stromflusses. Dadurch kann die Diode zerstört werden.
Die verschiedenen Eigenschaften und Betriebsarten nutzen unterschiedliche Dioden je nach Aufbau und Funktion. Eine weitere Gemeinsamkeit von Dioden ist das Schaltzeichen.
Schaltzeichen Diode
Grundsätzlich besitzen Dioden alle das gleiche Schaltzeichen. Es sieht aus, wie ein Trichter, der auf der Seite liegt, oder wie eine Pfeilspitze. Am anderen Ende befindet sich eine vertikale Wand. An der großen Öffnung des Trichters (großes Ende der Pfeilspitze) sowie an der Stelle, wo die Wand und der Trichter aufeinandertreffen (Pfeilspitze), befinden sich die elektrischen Kontakte.
Je nach Art der Diode wird dieses Schaltzeichen ein wenig angepasst. Mehr dazu findest Du etwas weiter unten bei den Arten von Dioden.
Das Schaltzeichen spiegelt in gewissem Maße die Funktion und den Aufbau einer Diode wider.
Diode Aufbau
Damit die Diode ihre Betriebsarten der Durchlass- und Sperrrichtung erhält, muss sie sehr speziell aufgebaut werden. Grundsätzlich findest Du bei einer Diode drei nebeneinander liegende Bereiche:
Der grundsätzliche Aufbau einer Diode wird auch p-n-Übergang genannt und besteht aus den folgenden Bereichen:
p-Bereich: zusätzliche freie positive Ladungsträger
n-Bereich: zusätzliche freie negative Ladungsträger
Sperrschicht: trennt n- und p-Bereich voneinander, neutral geladen, isoliert
Die p- und n-Bereiche bestehen aus dotierten Halbleitern. Der Übergang wird deswegen auch Halbleiter-Halbleiter-Übergang genannt.
In Wirklichkeit sind die Bereiche der Diode nicht so klar abgegrenzt, sondern überlagern sich etwas.
Die elektrischen Kontakte einer Diode befinden sich jeweils an den Enden von p- bzw. n-Bereich. Da die Diode somit zwei unterschiedlich geladene Seiten hat, gibt es entsprechende Begriffe, um diese zu beschreiben: Anode und Kathode.
Diode Anode Kathode
Anode und Kathode befinden sich jeweils am Ende der Diode. Beim p-Bereich befindet sich die Anode. Dementsprechend ist die Kathode einer Diode am n-Bereich.
Im Schaltzeichen ist die Anode der Diode das breite Ende des Pfeils / Trichters. Das dünne Ende des Trichters bzw. die Pfeilspitze ist die Kathode.
Anode und Kathode einer Diode repräsentieren also p- bzw. n-Bereich der Diode. Dort befinden sich freie Ladungsträger. Wie aber gelangen diese in das Diodenmaterial?
Diode Dotierung
Bevor aus einer Diode eine Diode wird, muss das Grundmaterial zunächst verändert werden.
Dotierung ist der Prozess, bei dem die Gitterstruktur von Halbleiterkristallen gezielt durch das Hinzufügen von Fremdatomen modifiziert wird.
Was einen Halbleiter so besonders macht, erklärt Dir „Leiter Physik“.
Als Halbleitermaterial wird oft möglichst reines Silicium (Si) verwendet. Es besitzt vier Außenelektronen. Das Kristallgitter ist dabei so aufgebaut, dass jedes Siliciumatom eine feste Bindung (Elektronenpaare) mit den vier jeweiligen anliegenden Siliciumatomen aufbaut.
Reines Silicium besitzt somit keine freien Ladungsträger. Dementsprechend gilt es als Isolator (nicht elektrisch leitfähiger Stoff, mehr dazu bei „Leiter Physik“).
Jetzt wird dotiert: Auf der p-Seite der Diode werden Fremdatome der dritten Hauptgruppe (etwa Bor B) eingefügt. Diese besitzen ein Außenelektron zu wenig. Dadurch entstehen Lücken im Kristallgitter, die als zusätzliche positive Ladungsträger (oder nicht Vorhandensein negativer Ladungsträger) fungieren.
Im Bereich der Diode, der als n-Bereich gelten soll, werden Fremdatome der fünften Hauptgruppe (etwa Phosphor P) eingefügt. Sie besitzen ein Außenelektron zu viel und bringen somit zusätzliche frei bewegliche negative Ladungsträger ins Silicium.
Interessiert Dich, was damit noch alles erreicht werden kann, wie genau das abläuft und welche weiteren Atome verwendet werden können? Die Erklärung zur „Dotierung“ befasst sich ausschließlich und tiefergehend mit diesem Thema.
Wozu aber all der Aufwand?
Diode Funktion
Als Grundfunktion der Diode gilt, dass sie je nach Richtung und Stärke einer angelegten Spannung einen unterschiedlichen Widerstand darstellt. Durch den Aufbau und die Unterteilung in p- und n-Bereich gibt es somit zwei Betriebsrichtungen einer Diode.
Die isolierende Sperrschicht in der Mitte der Diode ist zunächst breit genug, dass sich die Ladungsträger nicht von allein ausgleichen können.
Das bedeutet, eine Spannung ist notwendig, damit ein Strom fließen kann.
Legst Du den Pluspol einer Versorgungsspannung an der p-Seite (Anode) und den Minuspol entsprechend an der n-Seite (Kathode) der Diode an, werden die freien Ladungsträger innerhalb der Diode jeweils zum anderen Ende hin beschleunigt. Dadurch verkleinert sich die Sperrschicht. Die Diode befindet sich in Durchlassrichtung.
Ist die Spannung groß genug, dass sich dadurch die Sperrschicht aufhebt, kann ein Strom fast ungehindert fließen. Die dafür benötigte Spannung ist meist sehr gering.
Die Pole der Versorgungsspannung kannst Du aber auch umkehren.
Legst Du den Minuspol einer Versorgungsspannung an der p-Seite und den Pluspol entsprechend an der n-Seite der Diode an, werden die freien Ladungsträger innerhalb der Diode zu den nahen Polen hin, weg aus der Mitte, beschleunigt. Dadurch vergrößert sich die Sperrschicht. Die Diode befindet sich in Sperrrichtung.
Solange die Spannung nicht groß genug ist, dass Ladungsträger die gesamte Sperrschicht überwinden können, fließt nur ein vernachlässigbar kleiner Strom (Sperrstrom) durch die Diode.
Genau das Überwinden der Sperrschicht einer Diode wird bei manchen Diodenarten aber sogar gewollt angewandt.
Arten von Dioden
Nicht nur durch gezielte Dotierung, sondern auch durch spezielle Spannungen, veränderten Aufbau und verschiedene Betriebsarten können Dioden unterschiedliche Funktionen erfüllen.
Damit Dein Smartphone, das nur mit Gleichstrom geladen werden kann, nicht beim Anschluss ans Wechselstromnetz kaputtgeht, werden sogenannte Gleichrichterdioden verwendet. Diese sorgen für die Umwandlung von Wechselspannung zu Gleichspannung.
Wie genau das funktioniert, zeigt Dir die Erklärung „Gleichrichter“.
Die wohl bekannteste Art von Dioden sind LEDs, wie Du sie etwa bei der Taschenlampe Deines Smartphones finden kannst.
LED Diode
Das Akronym LED (englisch: light emitting diode, deutsch: „Licht emittierende Diode“) beinhaltet schon das Wort „Diode“ und auch die grundsätzliche Funktion der LED.
Eine LED ist eine Diode, die, je nach verwendeten Materialien, bei Stromfluss Licht emittiert (ausstrahlt).
Warum die LED Licht aussendet, hängt mit der gezielten elektrisch-energetischen Stimulation gewisser Atome und derer Elektronen zusammen. Mehr dazu findest Du in der Erklärung zum „Energiebändermodell“.
Diese Diode besitzt ein leicht abgewandeltes Schaltzeichen. Die Besonderheit liegt darin, dass zwei Pfeile weg von der Diode zeigen. Sie symbolisieren, dass die Diode etwas abgibt. Im Fall der LED handelt es sich dabei um Licht.
Die LED hat – wie auch jede andere Diode – zwei Betriebsrichtungen. Damit sie Licht aussendet, muss diese Diode in Durchlassrichtung betrieben werden. Betreibst Du sie in Sperrrichtung, passiert im besten Fall gar nichts und im schlimmsten Fall zerstörst Du das Bauteil.
Demnach ist es wichtig, zu wissen, wie Du eine Diode anschließen musst.
Abb. 8 - Polung einer LED
Wenn nicht anders vom Hersteller angegeben, schließt Du den langen Kontakt (p-Bereich, Anode) der Diode an den Pluspol Deiner Spannungsversorgung an. Den kurzen Kontakt (n-Bereich, Kathode) verbindest Du demnach mit dem Minuspol.
Das Prinzip, mit einer Diode Licht auszusenden, kann auch umgekehrt angewandt werden.
Fotodiode
Eine Fotodiode nutzt, genau wie die LED, dass Licht elektromagnetische Wellen sind. Anstatt Licht auszusenden, wird es von der Fotodiode teilweise absorbiert und verändert dabei das Verhalten der Diode.
Die Fotodiode ist eine Art der Diode, die ihre elektrischen Eigenschaften – insbesondere ihren Widerstand – entsprechend eintreffender elektromagnetischer Strahlung (oft Licht) verändert.
Dem zugrunde liegt das „Energiebändermodell“, das in der gleichnamigen Erklärung beschrieben wird.
Trifft Licht auf das Material der Diode, werden durch die Absorption der elektromagnetischen Strahlung weitere Elektronen-Loch-Paare gebildet. Das verändert das elektrische Verhalten der Diode. Je nachdem, inwiefern die Veränderung eine Auswirkung zeigt, kann auf eine gewisse Strahlung oder etwa Helligkeit von Licht geschlossen werden.
Die meisten Smartphones und Tabletts besitzen einen Lichtsensor, der, verallgemeinert, aus einer Fotodiode besteht. Demnach können die Bildschirme je nach Beleuchtung – tagsüber etwa direktes Sonnenlicht, nachts fast kein Licht – ihre eigene Hintergrundbeleuchtung anpassen.
Lichtsensor, Bildschirm, Ladegerät und Taschenlampe vom Smartphone beinhalten Dioden. Du benutzt also tagtäglich verschiedene Arten von Dioden.
Um diese besondere Art von Diode in einer Schaltung zu erkennen, hat auch sie ein eigenes, leicht abgewandeltes Schaltzeichen. Da sie prinzipiell genau andersherum funktioniert als eine LED, sind dabei die Pfeile umgekehrt. Das symbolisiert, dass Strahlung von außen aufgenommen wird.
Eine weitere Diode, die eine bekannte Funktionsweise umkehrt, ist die Zener-Diode.
Zener-Diode (Z-Diode)
Anders als andere Dioden wird die Zener-Diode nicht in Durchlassrichtung betrieben.
Die Zener-Diode (auch Z-Diode genannt) ist eine Diode, die in Sperrrichtung betrieben wird. Überschreitet eine angelegte Spannung dabei die sogenannte Durchbruchspannung, gibt es einen sprunghaften Anstieg im Stromfluss.
Zunächst verhält sich die Zener-Diode wie jede andere Diode in Sperrrichtung: Sie sperrt den Strom. Aufgrund stark ausgeprägter dotierter Bereiche und somit sehr dünnen Sperrschicht ist ihre Durchbruchspannung vergleichsmäßig gering.
Da sich im Bereich der Durchbruchspannung das Verhalten von nicht-leitend auf leitend verändert, steigt dabei der Stromfluss massiv an. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass eine große Stromänderung nur eine äußerst geringe Spannungsänderung über dem Bauteil nach sich zieht. Das wird zur Spannungsstabilisierung und zum Schutz vor Überlastung genutzt.
Am Schaltzeichen der Diode ändert sich bei der Zener-Diode fast nichts. Nur ein kleiner horizontaler Strich am Ende des vertikalen Strichs kommt hinzu.
Bis hier hin hatten alle Dioden jeweils eine p- und eine n-dotierte Seite. Dem ist aber nicht immer so.
Schottky-Diode
Eine Schottky-Diode wird – wie die meisten anderen Dioden – in Durchlassrichtung betrieben. Der Unterschied liegt im prinzipiellen Aufbau.
Die Schottky-Diode ist eine Diode, die einen Metall-Halbleiter-Übergang besitzt.
Anstelle von p- und n-Bereich gibt es nur einen der beiden. Der andere, jetzt größere Bereich, ist ein Metall – also ein hervorragender elektrischer Leiter, der zwar freie Ladungsträger, aber keine zusätzlichen Ladungsträger enthält. Eine Sperrschicht ist trotzdem noch erforderlich, damit die zusätzlichen Ladungsträger im dotierten Bereich bleiben.
Durch diese Zusammensetzung kann die Sperrschicht verkleinert werden. Das resultiert in einem geringeren Spannungsabfall (überwiegend unter \(0,4 \, V\) anstatt der normalen \(0,7 \, V\)) im Betrieb oder die Möglichkeit, äußerst schnell auf Änderungen zu reagieren. Die Schottky-Diode findet demnach Nutzen in Anwendungen, die ein schnelles Schalten und einen niedrigen Spannungsabfall, aber dennoch eine Diode benötigen, wie in der Hochfrequenztechnik.
Auch als sogenannte Freilaufdiode werden sie oft genutzt. Beim Ausschalten von Geräten können aufgrund von Elektromagnetischer Induktion starke Rückflüsse (hoher, negativer Stromfluss) entstehen. Wie auch jede andere Diode, kann die Schottky-Diode diesen Rückfluss verhindern, weil er in Sperrrichtung fließen würde. Durch den niedrigen Spannungsabfall hat sie aber keinen großen Einfluss auf Stromkreise in Durchlassrichtung, weswegen sie sich besser als andere Dioden eignet.
Um diese Art der Diode im Schaltkreis zu erkennen, gibt es auch für sie ein leicht abgewandeltes Schaltzeichen. An den Enden des vertikalen Strichs kannst Du dabei Häkchen finden, die den Strich so ähnlich wie ein großgeschriebenes S aussehen lassen.
Alle Dioden sind in ihrer Grundfunktion sehr ähnlich. Durch spezielle Bauarten und Betriebsmodi können sie aber einen sehr großen funktionalen Bereich abdecken und uns so unser modernes, digitalisiertes Leben ermöglichen – egal, ob nur als schöne Lampe oder hochsensibler Sensor.
Diode - Das Wichtigste
- Die Diode ist ein elektrisches Bauelement, dessen Widerstand abhängig von der Richtung und der Stärke der angelegten Spannung ist.
- Der Aufbau einer Diode besteht grundsätzlich aus drei Halbleiterteilen (p-n-Übergang, Halbleiter-Halbleiter-Übergang):
- p-Bereich (Anode): freie, zusätzliche positive Ladungsträger, eingebracht durch Dotierung
- n-Bereich (Kathode): freie, zusätzliche negative Ladungsträger, eingebracht durch Dotierung
- Sperrschicht: zwischen den beiden anderen Bereichen, verhindert Ladungsausgleich, isoliert
- Die Dotierung ist ein Prozess, bei dem Fremdatome gezielt in ein Halbleitermaterial eingebracht werden, um dessen elektrische Eigenschaften zu modifizieren.
- Eine Diode besitzt grundsätzlich zwei Betriebsarten:
- Durchlassrichtung: Eine geringe Spannung ermöglicht einen fast ungehinderten Stromfluss. Dafür muss der Pluspol der Spannungsversorgung am p-Bereich (Anode) der Diode angeschlossen werden, der Minuspol entsprechend am n-Bereich (Kathode).
- Sperrrichtung: Ein Stromfluss wird gesperrt. Diese Sperre kann nur durch eine sehr hohe Spannung überwunden werden, kann aber auch in der Zerstörung der Diode enden.
- Es gibt viele verschiedene Arten von Dioden, etwa:
- LED: Erzeugt bei Betrieb in Durchlassrichtung Licht.
- Fotodiode: Verändert ihre elektrischen Eigenschaften, wenn elektromagnetische Strahlung (wie Licht) auf sie trifft und kann als lichtempfindlicher Sensor verwendet werden.
- Zener-Diode (Z-Diode): Wird in Sperrrichtung betrieben und ermöglicht Spannungsstabilisierung sowie Überlastungsschutz.
- Schottky-Diode: Besitzt einen Metall-Halbleiter-Übergang und wird für schnelle Schaltungen, niedrigen Spannungsabfall und als Freilaufdiode verwendet.
Nachweise
- Abb. 8 - edited Image by Clker-Free-Vector-Images from Pixabay. https://pixabay.com/vectors/electronic-light-led-diode-39971/ (30.09.2022)
- Technische Universität Dresden Professur für Grundlagen der Elektrotechnik (2013). Elektrische und magnetische Felder. iee.et.tu-dresden.de (18.05.2015)
- Technische Universität Dresden Professur Elektronische Bauelemente und Integrierte Schaltungen (2013). Technologien und Bauelemente der Mikroelektronik. iee.et.tu-dresden.de (11.02.2016)
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