Diode

Grundidee und Aufbau

Eine Diode ist ein elektronisches Bauelement auf Halbleiterbasis, das elektrischen Strom hauptsächlich in einer Richtung durchlässt und in der anderen Richtung sperrt. Die leitende Richtung heißt Durchlassrichtung, die sperrende Richtung Sperrrichtung. Dioden sind wichtig für Gleichrichtung, Signalverarbeitung und viele Spezialanwendungen wie Fotodioden, Z-Dioden, Leuchtdioden und Halbleiterdetektoren.

Meist meint „Diode“ eine Halbleiterdiode aus Silizium mit einem p-n-Übergang. Daneben gibt es Dioden mit Metall-Halbleiter-Übergang, etwa Schottkydioden, oder Dioden aus anderen Halbleitermaterialien wie Germanium oder Galliumarsenid. Beim p-n-Übergang treffen ein p-dotierter Bereich mit positiven Ladungsträgern, den Defektelektronen oder Löchern, und ein n-dotierter Bereich mit freien Elektronen aufeinander. An der Grenze diffundieren Ladungsträger auf die jeweils andere Seite und rekombinieren. Dadurch entsteht eine von beweglichen Ladungsträgern verarmte Raumladungszone mit einem elektrischen Feld und einer Diffusionsspannung.

Die äußere Spannung entscheidet über das Verhalten: In Durchlassrichtung kann sie die innere Sperrwirkung kompensieren, sodass die Diode leitfähig wird. In Sperrrichtung verstärkt sie die Raumladungszone, sodass die Diode weitgehend sperrt. Anschaulich kann man eine Gleichrichterdiode mit einem Rückschlagventil vergleichen: In Sperrrichtung blockiert es den Fluss, in Durchlassrichtung öffnet es erst ab einem bestimmten Druck. Bei der Diode entspricht das der Schwellenspannung oder Schleusenspannung U_S. Bei gewöhnlichen Siliziumdioden liegt U_S ungefähr bei 0,6 bis 0,7 V.

Kennlinie und Grundgleichungen

Das statische Verhalten einer Diode beschreibt man durch die Strom-Spannungs-Kennlinie. Sie hat drei wichtige Bereiche: Durchlassbereich, Sperrbereich und Durchbruchbereich. Im Durchlassbereich fließt bei kleinen Spannungen zunächst kaum Strom. Bei Siliziumdioden beginnt der Strom etwa ab 0,4 V merklich anzusteigen; ab etwa 0,6 bis 0,7 V steigt er stark an. Bei Schottky- und Germaniumdioden fließt schon bei etwa 0,2 V ein nennenswerter Strom, die Schleusenspannung liegt etwa bei 0,3 bis 0,4 V.

Im Sperrbereich fließt nur ein sehr kleiner Leckstrom I_R. Germanium- und Schottkydioden haben dabei deutlich höhere Werte als Siliziumdioden. Bei weiter steigender Sperrspannung beginnt der Durchbruchbereich: Siliziumdioden werden je nach Dotierung ungefähr ab -50 V bis -1000 V in Sperrrichtung leitend, Schottkydioden etwa ab -10 V bis -200 V. Die Durchbruchspannung U_BR wird positiv angegeben; durch spezielle Dotierungen können bei Siliziumdioden auch Werte unter 5 V erreicht werden, was bei Z-Dioden genutzt wird.

Ein stark vereinfachtes Modell ist die ideale Diode: In Durchlassrichtung leitet sie ohne Spannungsabfall, in Sperrrichtung sperrt sie ohne Leckstrom. Mathematisch gilt im Durchlassbereich U_D = 0 bei I_D >= 0 und im Sperrbereich I_D = 0 bei U_D <= 0. Reale Dioden werden genauer durch die Shockley-Gleichung beschrieben: I_D = I_S · (e^(U_D/(n · U_T)) - 1). Dabei ist I_S der Sättigungssperrstrom, ungefähr 10^-12 bis 10^-6 A, n der Emissionskoeffizient, ungefähr 1 bis 2, und U_T die Temperaturspannung. U_T = k · T / q und beträgt bei Raumtemperatur ungefähr 25 mV; bei 300 K etwa 25,8 mV. Die Konstanten sind k = 1,381 · 10^-23 Ws/K und q = 1,602 · 10^-19 As.

Reale Effekte

Bei genauerer Betrachtung setzt sich der Diodenstrom aus mehreren Anteilen zusammen: I_D = I_D,D + I_D,R + I_D,BR. I_D,D ist der Diffusionsstrom in Durchlassrichtung, I_D,R der Leckstrom in Sperrrichtung und I_D,BR der Durchbruchstrom. Der Diffusionsstrom dominiert im mittleren Durchlassbereich und folgt der Shockley-Gleichung: I_D,D = I_S · (e^(U_D/(nU_T)) - 1). Bei Schottkydioden beschreibt eine ähnliche Formel den Emissionsstrom.

Der Hochstromeffekt tritt bei größeren Strömen auf. Dabei steigt der Emissionskoeffizient n im Bereich mittlerer Ströme bis auf 2n an; der Kniestrom I_K kennzeichnet die Grenze zum Hochstrombereich. Die Kennlinie bleibt exponentiell, wird aber flacher, sodass weniger Strom fließt als ohne diesen Effekt.

In Sperrrichtung werden Elektronen und Löcher zu ihren Kontakten abgeführt, die Raumladungszone wird größer, und idealerweise sollte kein Strom fließen. In der Praxis misst man dennoch einen kleinen Leckstrom oder Sperrstrom. Er entsteht durch Minoritätsladungsträger, also die jeweils selteneren Ladungsträger im dotierten Bereich, die durch die Raumladungszone diffundieren und dann von der angelegten Spannung abgeführt werden. Der Sperrstrom hängt stark von Spannung, Temperatur, Herstellungstechnologie, Reinheit und Störstellenarmut ab.

Auch die Temperatur beeinflusst die Diode deutlich. Für Silizium gilt für die Bandabstandsspannung U_G = 1,12 V. Die Flussspannung sinkt bei konstantem Strom näherungsweise mit etwa -1,7 mV/K bei T = 300 K und U_D(300 K) = 0,7 V. Diese annähernd lineare Temperaturabhängigkeit kann für Temperaturmessungen genutzt werden. Für Überschlagsrechnungen wird bei Siliziumdioden und p-n-Übergängen oft eine Flussspannung von etwa 0,7 V angesetzt.

Durchbruch, Widerstände und Schalten

Wenn die Sperrspannung weiter erhöht wird, steigt der Sperrstrom ab einer bestimmten Spannung stark an. Das heißt Durchbruch; die zugehörige Spannung heißt Durchbruchspannung U_BR. Für Gleichrichterdioden liegt sie häufig im Bereich von 50 bis 1000 V. Bei gewöhnlichen Dioden ist der Durchbruch meist unerwünscht, weil hohe Verlustleistung und ein enger Stromflusskanal das Bauelement zerstören können. Man unterscheidet Lawinendurchbruch, Zener-Durchbruch und thermischen Durchbruch.

Beim Lawinendurchbruch vermehren sich Ladungsträger durch Stoßionisation. Er wird zum Beispiel bei IMPATT-Dioden, Suppressordioden, Avalanche-Photodioden und Z-Dioden höherer Spannung genutzt. Bei manchen Gleichrichterdioden ist er für bestimmte Überspannungsereignisse spezifiziert; bei Netzdioden wie 1N4007 ist ein Überschreiten der maximal zulässigen Sperrspannung dagegen nicht erlaubt. Beim Zener-Durchbruch ermöglicht eine spezielle Dotierung einen Tunneleffekt; er wird bei Z-Dioden bis etwa 5 V genutzt, unter anderem für Referenzspannungen. Der thermische Durchbruch entsteht durch hohe Temperatur und führt in der Regel zur Zerstörung der Diode.

Für Rechnungen verwendet man außerdem den differentiellen Widerstand r_D, also die Steigung der Tangente im Arbeitspunkt: r_D = dU_D/dI_D |_A = n · U_T/(I_D,A + I_S), näherungsweise n · U_T/I_D,A, wenn I_D,A deutlich größer als I_S ist. Bei großen Strömen wird r_D klein, und der Bahnwiderstand R_B des Halbleitermaterials und der Anschlüsse wird wichtiger. Er wird mit U_D = U'_D + I_D · R_B berücksichtigt.

Bei Wechselstrom und hohen Frequenzen spielen auch Kapazitäten eine Rolle. Die Sperrschichtkapazität C_S entsteht, weil die Raumladungszone wie das Dielektrikum eines Kondensators wirkt. Mit steigender Sperrspannung wird die Zone breiter, und C_S nimmt ab. Kapazitätsdioden nutzen diese steuerbare Kapazität. In Durchlassrichtung entsteht zusätzlich die Diffusionskapazität durch gespeicherte Minoritätsladungsträger. Bei Siliziumdioden liegt die Transitzeit etwa bei 1 bis 100 ns, bei Schottkydioden etwa bei 1 bis 100 ps, weshalb deren Diffusionskapazität meist vernachlässigbar ist.

Das Schaltverhalten ist nicht sofortig. Beim Wechsel von Durchlass- zu Sperrrichtung müssen Minoritätsladungsträger entfernt werden; dabei fließt kurz eine Reverse-Recovery-Ladung Q_rr in Sperrrichtung. Die Zeit bis zum Sperren heißt Sperrerholzeit t_rr und liegt in der Größenordnung der Transitzeit. Schnelle Silizium-PN-Dioden erreichen etwa 5 bis 200 ns. Schottkydioden schalten sehr schnell, weil Minoritätsladungsträger dort keine wesentliche Rolle spielen.

Kennzeichnung und Kenngrößen

Die Kathode unipolarer Dioden ist meistens mit einem Ring oder Farbpunkt markiert. Bei Leuchtdioden kann der Kathodenanschluss durch Farbpunkt, kürzeres Anschlussbein oder Gehäuseabflachung gekennzeichnet sein. Bei Laserdioden ist meist die Anode mit dem Gehäuse verbunden. Brückengleichrichter besitzen oft Anschlüsse für Wechselspannung „AC“ sowie Gleichspannung „+“ und „−“.

Diodentypen können nach JEDEC oder nach Pro Electron gekennzeichnet sein. Nach JEDEC besteht die Bezeichnung aus einer Zahl, einem Buchstaben und einer vierstelligen Zahl, zum Beispiel 1N4148. Nach Pro Electron besteht sie aus zwei bis drei Buchstaben und einer zwei- bis dreistelligen Zahl, zum Beispiel BA159 oder BAT20. Hersteller können außerdem eigene Benennungsschemata verwenden.

Wichtige Kenngrößen in Datenblättern sind die maximal zulässige Sperrspannung, der maximale Dauer- und Spitzenstrom in Durchlassrichtung, die Flussspannung oder Schleusenspannung U_F bei einem bestimmten Strom, bei Zenerdioden die maximale Dauer-Verlustleistung und die Zenerspannung, bei Gleichrichter- und Signaldioden die Schaltzeit beziehungsweise Sperr-Erholzeit t_rr, bei Suppressordioden Ansprechzeit, Energie, Spitzenleistung, Durchbruchspannung und maximal garantierte Sperrspannung ohne Durchbruch sowie besonders bei Schottkydioden der stark temperaturabhängige Leckstrom.

Typen und Anwendungen

Dioden werden je nach Aufbau und Eigenschaften sehr unterschiedlich eingesetzt. Zur Gleichrichtung, also zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung, verwendet man bei niedrigen Frequenzen fast ausschließlich Silizium-PN-Dioden. Bei sehr großen Leistungen werden p+sn+-Dioden genutzt. Hochspannungsdioden bestehen aus mehreren in Reihe geschalteten Diodenchips, sogenannten Diodenkaskaden. Bei besonders hohen Frequenzen kommen bis etwa 200 V Sperrspannung Silizium-Schottky-Dioden zum Einsatz; bei hohen Sperrspannungen bis etwa 1600 V, hohen Frequenzen und hohen Einsatztemperaturen zunehmend Siliciumcarbid-Schottky-Dioden. Schottkydioden haben keine Schaltverluste.

Kleinsignaldioden dienen zur Gleichrichtung kleiner Ströme und Signale, als Demodulator, Mischer, Spannungsreferenz, zur Temperaturmessung oder -kompensation und als Schaltdiode für einfache Logikverknüpfungen. Zur Spannungsstabilisierung und Überspannungsbegrenzung verwendet man Zener-Dioden und Suppressordioden, die Zener- und Avalancheeffekt nutzen. Eine Stromregeldiode ist eigentlich eine integrierte Schaltung aus Widerstand und JFET und dient als Konstantstromquelle.

Für optische Anwendungen gibt es Laserdioden, Photodioden, Avalanche-Photodioden und Leuchtdioden, kurz LED. Kapazitätsdioden, auch Varaktoren oder Varaktordioden genannt, nutzen die von der Sperrspannung abhängige Sperrschichtkapazität als steuerbaren Kondensator, zum Beispiel bei der Senderabstimmung von Rundfunkempfängern. Pin-Dioden werden in der Hochfrequenztechnik als steuerbare Dämpfungsglieder oder HF-Schalter eingesetzt, etwa zur Bereichsumschaltung analoger Fernsehtuner. Weitere spezielle Dioden sind unter anderem Avalanchediode, Feldeffektdiode, Gunndiode, Tunneldiode, Sirutor, IMPATT-Diode beziehungsweise Lawinenlaufzeitdiode und Speicherschaltdiode.