Halbleiterdiode
Aufbau einer Halbleiterdiode
Eine Halbleiterdiode, kurz auch Diode genannt, ist ein elektronisches Bauelement, das aus zwei unterschiedlich dotierten Schichten desselben Grundmaterials aufgebaut ist. Sie besteht aus einem n-Halbleiter und einem p-Halbleiter sowie dem Bereich zwischen beiden Schichten, dem pn-Übergang. Er wird auch als Grenzschicht oder Übergangsschicht bezeichnet.
Die häufigste Bauform sind Siliciumdioden, die aus p-leitendem und n-leitendem Silicium bestehen (Bild 1).
Wirkungsweise einer Halbleiterdiode
Die freien Elektronen bewegen sich zunächst ungeordnet in der Diode und durchdringen dabei auch den pn-Übergang. Dabei gelangen einzelne Elektronen in den p-Leiter und besetzen dort Löcher. Umgekehrt gelangen Defektelektronen (Löcher) in das n-leitende Gebiet. Daher entsteht zwischen dem p-leitenden Bereich und dem n-leitenden Bereich ein Übergangsgebiet. Dieses Übergangsgebiet kann sich aber nicht beliebig weit über die Diode erstrecken, denn zwischen den positiven und negativen Ladungsträgern bildet sich ein elektrisches Feld aus, das entgegen ihrer Bewegungsrichtung wirkt und daher eine weitere Ausdehnung der Übergangsschicht verhindert. Es bildet sich somit ein stabiler Zustand heraus.
Aufbau einer Siliciumdiode
Wird der n-Leiter der Diode mit dem Minuspol und der p-Leiter mit dem Pluspol einer elektrischen Quelle verbunden, dann werden die freien Elektronen und die Defektelektronen in die Grenzschicht gedrückt und können diese, sofern das elektrische Gegenfeld in der Grenzschicht überwunden wird, auch passieren (Bild 2). Die Spannung, bei der dies erfolgt, nennt man Schwellenspannung. Sie beträgt bei Siliciumdioden ca. 0,7 V, bei Germaniumdioden ca. 0,35 V.
Bei größeren Spannungen wird der Widerstand der Diode sehr klein. Sie lässt den elektrischen Strom nahezu ungehindert durch, weshalb man auch von einer Polung in Durchlassrichtung spricht.
Diode in Durchlassrichtung: Der pn-Übergang wird von Ladungsträgern überflutet.
Bei umgekehrter Polung wird das elektrische Gegenfeld in der Grenzschicht verstärkt, die Grenzschicht verbreitert sich (Bild 3). Damit ist der elektrische Widerstand der Diode sehr groß, sie ist in Sperrrichtung gepolt.
Anwendung von Halbleiterdioden
Die Eigenschaft von Halbleiterdioden, den Strom nur in einer Richtung passieren zu lassen, nutzt man zur Gleichrichtung von Wechselströmen. Genauere Informationen sind unter dem Stichwort "Gleichrichter" zu finden.
Die Eigenschaft von Halbleiterdioden, dass ab einer bestimmten Schwellenspannung ein Strom durch die Diode fließt, kann man auch dazu nutzen, um sich eine Spannungsquelle zu bauen, an der immer die gleiche Spannung abgegriffen werden kann. Solche Spannungsquellen bezeichnet man daher als Konstantspannungsquellen. Mehr Informationen dazu sind unter diesem Stichwort zu finden.
Diode in Sperrrichtung: Der an Ladungsträgern verarmte pn-Übergang verhindert den Stromfluss.
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