Physik · Klasse 9–10 · aktualisiert
Halbleiterdiode: Aufbau und Funktion erklärt
Du lernst, wie der pn-Übergang eine Diode prägt, welche Polung leitet und wie sie Wechselstrom gleichrichtet.
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Kurz gesagt
Eine Halbleiterdiode leitet in Durchlassrichtung gut und sperrt in Gegenrichtung weitgehend. Am pn-Übergang verändert die Polung die Raumladungszone; bei ausreichender Wechselspannung lässt eine einzelne Diode vor allem eine Halbwelle durch.
Eine Halbleiterdiode lässt Strom in Durchlassrichtung gut passieren und sperrt ihn in der Gegenrichtung weitgehend. Diese Einwegwirkung entsteht am Übergang zwischen einem p-dotierten und einem n-dotierten Halbleiter. Auf dieser Seite lernst du, wie der pn-Übergang entsteht, wie du die Polung beurteilst und warum die reale Diode nicht wie ein vollkommen idealer Schalter arbeitet.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
3 Abschnitte
Eine Halbleiterdiode besteht meist aus zwei unterschiedlich dotierten Bereichen desselben Materials, häufig Silicium. Im n-Bereich sind Elektronen die beweglichen Mehrheitsträger. Im p-Bereich wirken freie Bindungsstellen, Löcher, wie bewegliche positive Ladungsträger.
Am pn-Übergang wandern zunächst Elektronen zum p-Bereich und Löcher zum n-Bereich. Bei der Rekombination besetzt ein Elektron ein Loch; beide fehlen danach als bewegliches Paar. Ortsfeste Ladungen nahe der Grenze erzeugen ein inneres Feld. Es bremst die weitere Bewegung, bis sich ohne äußere Spannung ein Gleichgewicht ohne dauerhaften Strom einstellt.
Definition
Dotierung
Dotieren bedeutet, einem Halbleiter gezielt wenige Fremdatome hinzuzufügen. Dadurch entstehen bewegliche Ladungsträger.
Definition
Raumladungszone
Die Raumladungszone, auch Sperrschicht genannt, ist der Bereich am pn-Übergang, in dem kaum bewegliche Ladungsträger vorhanden sind. Die ortsfesten Ladungen erzeugen dort ein elektrisches Feld.
Merke: Dotierung ermöglicht bewegliche Ladungsträger. Ihre Diffusion und Rekombination erzeugen am pn-Übergang die Raumladungszone mit einem inneren elektrischen Feld.
Teste dich
Die äußere Polung bestimmt, wie breit die Raumladungszone ist. Durchlassrichtung: p liegt an Plus und n an Minus. Der Minuspol bewegt Elektronen im n-Bereich zum Übergang; der Pluspol zieht Elektronen aus dem p-Bereich ab und hinterlässt dort Löcher. Das äußere Feld schwächt das innere Feld. Die Raumladungszone wird schmaler und der Strom kann stark ansteigen.
Sperrrichtung: n liegt an Plus und p an Minus. Bewegliche Ladungsträger werden vom Übergang weggezogen. Das äußere Feld verstärkt das innere Feld, die Raumladungszone wird breiter und die Diode sperrt weitgehend. Elektronen bewegen sich im äußeren Stromkreis von Minus nach Plus; die technische Stromrichtung ist entgegengesetzt.
Merke: p an Plus und n an Minus bedeutet Durchlassrichtung. Die umgekehrte Polung ist Sperrrichtung.
Beispiel
- 1Eine Batterie wird so angeschlossen, dass ihr Pluspol am p-Bereich und ihr Minuspol am n-Bereich liegt. Das äußere Feld schwächt die Raumladungszone. Die Diode ist deshalb in Durchlassrichtung gepolt.
- 2Werden beide Anschlüsse vertauscht, verbreitert sich die Raumladungszone. Die Diode ist dann in Sperrrichtung gepolt.
Beispiel: So gehst du vor
- 1Der Minuspol drückt Elektronen im n-Bereich zum pn-Übergang.
- 2Der Pluspol zieht Elektronen aus dem p-Bereich ab; dadurch entstehen dort weitere Löcher.
- 3Das äußere Feld schwächt das innere Feld der Raumladungszone.
- 4Die Raumladungszone wird schmaler und der Strom steigt stark an.
Teste dich
Eine Kennlinie zeigt den Strom in Abhängigkeit von der Spannung an der Diode. Für eine Siliciumdiode nennt man oft ungefähr 0,7 V als Wert im Bereich eines starken Stromanstiegs. Eine reale Kennlinie hat aber keinen harten Sprung. Wie viel Strom bei 0,4 V oder zwischen 0,6 V und 0,7 V fließt, hängt vom Bauteil, der Temperatur und der Schaltung ab. Bei Germaniumdioden liegt ein typischer Wert niedriger, ungefähr bei 0,35 V. Auch das ist keine feste Grenze.
In Sperrrichtung fließt ein kleiner Leckstrom. Wird die zulässige Sperrspannung überschritten, kann ein Durchbruch eintreten und eine gewöhnliche Diode durch hohe Verlustleistung beschädigt werden. Das ideale Modell hilft beim Einstieg; reale Schaltungen verlangen Kennlinie und Grenzwerte.
Bei ausreichend hoher Wechselspannung kehrt die Polung periodisch um. Eine einzelne Diode leitet eine Halbwelle und sperrt die andere weitgehend. Hinter ihr fließt der Strom überwiegend in einer Richtung, aber noch pulsierend. Ein Rückschlagventil veranschaulicht die Einwegwirkung, erklärt die Ladungsbewegung im Halbleiter jedoch nicht.
Beispiel
- 1Eine Diode und eine Lampe liegen mit Strombegrenzung an einer geeigneten Wechselspannungsquelle bis 9 V.
- 2Während der passenden Halbwelle ist die Diode in Durchlassrichtung gepolt. Strom fließt durch die Lampe.
- 3Während der entgegengesetzten Halbwelle liegt Sperrrichtung vor. Die Diode blockiert den Strom weitgehend.
- 4Am Ausgang bleiben vor allem Halbwellen einer Richtung übrig. Der Strom pulsiert weiterhin. Im einfachen Modell wechselt er seine Richtung nicht mehr. Das heißt Gleichrichtung.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Halbleiterdiode
Aufbau
p-Bereich, n-Bereich und pn-Übergang
Ohne Spannung
Diffusion, Rekombination und Raumladungszone
Durchlassrichtung
p an Plus, n an Minus, starker Stromanstieg
Sperrrichtung
n an Plus, p an Minus, nur kleiner Leckstrom
Reales Verhalten
keine harte Schaltschwelle und begrenzte Sperrspannung
Anwendung
Gleichrichtung von Wechselstrom
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Eine Halbwelle verfolgen
- 1Eine Diode und ein Widerstand sind an eine geeignete Wechselspannungsquelle bis 9 V angeschlossen.
- 2Während der ersten Halbwelle liegt p an Plus und n an Minus: Die Diode leitet in Durchlassrichtung.
- 3Während der folgenden Halbwelle ist die Polung umgekehrt: Die Diode sperrt weitgehend.
- 4Hinter der Diode bleibt ein pulsierender Strom, der überwiegend in einer Richtung fließt; die einzelne Diode glättet ihn nicht.
Fehler finden
Polung einer Diode beurteilen In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3n an Plus und p an Minus ist Sperrrichtung. Die Raumladungszone wird breiter; im Grundmodell fließt nur ein sehr kleiner Strom.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Bei liegt Durchlassrichtung vor. Bei Sperrpolung wird die Raumladungszone . Eine einzelne Diode liefert bei Wechselstrom einen Strom, der überwiegend in einer Richtung fließt.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback