Akademik

Diode

 

[zu griech. diodos »Übergang«], wichtiges Bauteil der Elektronik mit zwei Elektroden (Anode und Kathode), dessen elektrischer Widerstand in extremer Weise von der Polarität der angelegten Spannung abhängt. Dementsprechend weist die Diode eine stark stromrichtungsabhängige Strom-Spannungs-Kennlinie auf (das Verhältnis der Stromstärken in Sperr- und Durchflussrichtung kann 1 : 10⁶ und mehr betragen). Eine Diode leitet also den Strom in der einen Richtung sehr gut, in der anderen Richtung bildet sie einen sehr großen Widerstand (sie »sperrt«).

 

Die früher sehr verbreiteten Röhrendioden werden heute nur noch in sehr wenigen Bereichen eingesetzt (z. B. als Hochleistungsdioden für Radio- und Fernsehsender), wenn der Zweck mit einem Halbleiterbauteil nicht erreicht wird. Halbleiterdioden bestehen aus einem Halbleiter, bei dem ein n-dotierter und ein p-dotierter Bereich (Dotierung) aneinander stoßen. Im Bereich der Kontaktfläche, am sog. p-n-Übergang, diffundieren Ladungsträger von der einen auf die andere Seite, sodass sich auf der n-dotierten Seite eine positiv, an der p-dotierten Seite eine negativ geladene Zone aufbaut; dazwischen liegt eine an beweglichen Ladungsträgern arme (also kaum leitende) sog. Verarmungszone mit einer typischen Breite von 100 nm. Legt man eine äußere Spannung so an den p-n-Übergang an, dass der Pluspol an den n-dotierten, der Minuspol an den p-dotierten Bereich angeschlossen ist, dann verbreitert sich die Verarmungszone, die Diode ist in Sperrrichtung geschaltet. Bei entgegengesetzter Polung verschwindet die Verarmungszone, der p-n-Übergang wird leitend (Schaltung in Durchlassrichtung).

 

Für die Anwendung unterscheidet man u. a. Gleichrichterdioden zur Gleichrichtung von Wechselströmen und Schaltdioden, die als Schalter in elektrischen Stromkreisen wirken. Sie sind nach Bauart und verwendeten Werkstoffen unterschiedlich (z. B. Schottky-Diode als Metall-Halbleiter-Kontakt, Avalanche-Diode, Zener-Diode, Tunneldiode u.v.m.). Pumpt man Ladungsträger so in die Verarmungszone, dass sie auf entgegengesetzt geladene Ladungsträger treffen, wird die dabei frei werdende Energie in Form von Licht ausgestrahlt (sog. Leuchtdiode, LED). Bei der Fotodiode, die in Sperrrichtung in einen Stromkreis eingebaut wird, erhöht einfallendes Licht die Zahl der Ladungsträger in der Verarmungszone, sodass der Strom wächst.

 

Verbindet man zwei Dioden in geschickter Weise, erhält man einen Transistor, das grundlegende Schaltungselement für die Computertechnik. Durch die Verfeinerung der Herstellungstechnik kann man heute Millionen von Transistoren und Speicherelementen in Form von integrierten Schaltungen auf einem Chip unterbringen.

Diode

 

[zu griechisch díodos, eigentlich »der Weg durch etwas hindurch«, »Übergang«] die, -/-n, elektronisches Bauelement mit zwei Elektroden, dessen elektrischer Widerstand in extremer Weise von der Polarität der angelegten elektrischen Spannung abhängt und das eine asymmetrische, stark stromrichtungsabhängige Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist. Das Stromstärkeverhältnis bei Polaritätswechsel kann 10⁶ und mehr betragen. Dioden dienen als elektrische Ventile v. a. zur Gleichrichtung von Wechselströmen; sie werden als Hochvakuum-Elektronenröhren oder als Halbleiterbauelemente mit (wenigstens) einer Sperrschicht realisiert; im weiteren Sinn werden alle polaritätsabhängigen Widerstände als Diode bezeichnet.

 

Hochvakuumdioden oder Röhrendioden werden heute nur noch dort eingesetzt, wo die geforderten technischen Parameter mit Halbleiterbauelementen noch nicht wirtschaftlich günstig zu erreichen sind, z. B. als Hochleistungsdioden für Hörfunk- und Fernsehsender. Sie nutzen die Glühemission einer geheizten Kathode zur Aussendung von Elektronen in einen hochevakuierten Raum, aus dem diese dann in dem Maß über eine kalte Anode abgeführt werden, wie die zwischen Kathode und Anode liegende Spannung (Anodenspannung) U_A die Elektronen zur Anode hin beschleunigt und die von ihnen vor der Kathode gebildete Raumladung abbaut. Der so entstehende, nur in einer Richtung fließende Strom hängt von der Geometrie der Anordnung, von der Kathodentemperatur T und der Anodenspannung U_A ab. In der Praxis wird die Abhängigkeit des Diodenstroms von U_A ausgenutzt. Ist U_A so stark positiv, dass alle emittierten Elektronen zur Anode gelangen, so fließt der durch die Richardson-Gleichung gegebene, zur Kathodenfläche proportionale, nur noch von der Austrittsarbeit der Kathode und ihrer Temperatur abhängige Sättigungsstrom.

 

Halbleiterdioden nutzen die elektrischen Eigenschaften von p-n-Übergängen zwischen unterschiedlich dotierten Bereichen eines Halbleiterkristalls. Dieser besteht meist aus Silicium (Si); daneben werden je nach Zweck auch Germanium (Ge) sowie Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP) u. a. Verbindungshalbleiter zur Herstellung von Halbleiterdioden verwendet. Die gleiche »Ventilwirkung« wie mit einem p-n-Übergang in einem Kristall erzielt man auch durch einen Metall-Halbleiter-Kontakt (z. B. bei der Schottky-Diode). - Eine in Durchlassrichtung betriebene Diode (positive Spannung am p-leitenden Gebiet) zeigt bei kleinen Werten der Durchlass- oder Flussspannung U_F infolge ihres ohmschen Bahnwiderstandes einen linearen Aufstieg des Durchlassstroms; der betriebsmäßig genutzte, mit zunehmender Flussspannung exponentiell ansteigende Stromfluss beginnt bei Germaniumdioden bereits bei 0,2 V, bei Siliciumdioden bei 0,7 V. Bei einer in Sperrrichtung betriebenen Diode (negative Spannung am p-leitenden Gebiet) fließt zunächst nur ein sehr geringer Sperrstrom, der dann bei Überschreiten der vom Aufbau und der Dotierung abhängigen, maximalen zulässigen Sperrspannung aufgrund des Zener-Effekts steil ansteigt (»Zener-Durchbruch«). Wird der Strom dabei nicht durch schaltungstechnische Maßnahmen begrenzt, kommt es infolge Avalancheeffekts zum »Wärmedurchbruch« und zur Zerstörung des Bauelements.

 

Für die Anwendung unterscheidet man u. a. Gleichrichterdioden oder Richtdioden zur Gleichrichtung von Wechselströmen und Schaltdioden, die als Schalter in elektrischen Stromkreisen wirken, wobei die Schaltverzögerung (d. h. die Zeit, die zum Ausräumen des p-n-Übergangs von Ladungsträgern nötig ist) beim Umschalten von Durchlass- in Sperrrichtung möglichst kurz sein muss. Für größere Stromstärken verwendet man heute allgemein Flächendioden. Zur Spannungs- oder Stromstabilisierung verwendet man v. a. Z-Dioden, speziell Feldeffektdioden, sowie die Avalanchediode, die wie die Impatt-Diode und die Read-Diode zu den Laufzeitdioden zählt. Die Schottky-Diode besitzt eine besonders kurze Schaltzeit. Weitere Halbleiterdioden sind die Tunneldiode, die Backward-Diode, die Kapazitätsdiode, die Vierschichtdiode, die p-i-n-Diode sowie die Photodiode. Bei Stromdurchgang elektromagnetischer Strahlung emittierende Halbleiterdioden sind die Gunn-Diode, die Laserdiode und die Lumineszenzdiode. Halbleiterdioden, bei denen Volumeneffekte ausgenutzt werden, sind die Magnetdiode und die dielektrische Diode.

 

Literatur:

 

H. Mielke: D.n (1976);

 R. Paul: Halbleiterd.n (1976);

 M. Fischer: Transistoren, D.n, Thyristoren, IC, 2 Bde.(^7-81996).