Eine Diode ist ein Halbleiterbauelement, das Strom im Wesentlichen nur in eine Richtung (von der Anode zur Kathode) leitet. Sie besteht aus einem p-dotierten und einem n-dotierten Bereich; an der Grenzfläche entsteht die Sperrschicht.
Polung und Grundverhalten
- Durchlassrichtung: Anode auf höherem Potential als Kathode. Ab einer Schwellspannung \(U_F\) (≈ 0,7 V) leitet die Diode deutlich.
- Sperrrichtung : Anode auf niedrigerem Potential als Kathode. Es fließt nur ein sehr kleiner Sperrstrom; bei Überschreiten der Durchbruchspannung steigt der Strom stark an.
Typische Schwellspannungen
- Siliziumdiode: ca. 0,7 V
- Germaniumdiode: ca. 0,3 V
Einfaches Ersatzmodell für Rechnungen
Ideale Diode: leitet perfekt in Durchlassrichtung, sperrt vollständig in Sperrrichtung.
Sperrverhalten und Durchbruch
In Sperrrichtung fließt der sehr kleine Sperrstrom \(I_S\). Wird die Durchbruchspannung überschritten, setzt starker Stromfluss ein. Bei Z-Dioden (speziell dotierte Dioden) wird dieser Effekt gezielt genutzt, um eine nahezu konstante Spannung zu halten:
\[ U \approx U_Z \quad \text{(im Arbeitspunkt mit Vorwiderstand)} \]
Temperaturabhängigkeit (Kurzüberblick)
- \(U_T\) steigt mit der Temperatur (\(U_T = kT/q\)).
- \(I_S\) steigt stark mit der Temperatur (exponentiell), wodurch in Durchlassrichtung bei höherer Temperatur die gleiche Stromstärke bei etwas geringerer Spannung auftritt.
\[ u_\text{out}(t) \approx \begin{cases} u_\text{in}(t) – U_F, & \text{für } u_\text{in}(t) > U_F \\ 0, & \text{sonst} \end{cases} \]
Typische Anwendungen
- Gleichrichtung: Einweg- und Brückengleichrichter
- Verpolschutz: Schutz von Schaltungen vor falsch gepolter Versorgung
- Signalverarbeitung: Detektion, Begrenzung, Mischen
- Überspannungsschutz: Z-/TVS-Dioden
- Schottky-Dioden: Schnelle Schaltvorgänge, niedriger \(U_F\)
Merksatz: In Durchlassrichtung fällt an Si-Dioden näherungsweise \(0{,}7\,\text{V}\) ab; in Sperrrichtung fließt (unterhalb des Durchbruchs) nur ein sehr kleiner Strom.