Diode: Funktion, Aufbau und PN-Übergang

Funktionsweise einer Diode

Eine Diode (griechisch für 'zwei Wege') ist ein Halbleiterbauelement, das den Durchgang von elektrischem Strom nur in einer Richtung erlaubt, ähnlich einem Schalter. Vereinfacht gesagt, besteht die Strom-Spannungs-Kennlinie (I-V-Kennlinie) einer Diode aus zwei Bereichen: Unterhalb einer bestimmten Potentialdifferenz verhält sie sich wie ein offener Stromkreis (leitet nicht), und oberhalb davon wie ein geschlossener Stromkreis mit einem sehr kleinen elektrischen Widerstand.

Aufgrund dieses Verhaltens wird sie oft als Gleichrichter bezeichnet. Bauelemente, die den negativen Teil eines Signals unterdrücken können, dienen als erster Schritt zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Ihre Funktionsweise basiert auf früheren Experimenten, unter anderem von Lee De Forest.

Geschichte der Diode

Die ersten Dioden waren Vakuumröhren, auch thermionische Röhren genannt. Sie bestanden aus zwei Elektroden in einem Vakuum innerhalb eines Glasrohrs, ähnlich einer Glühlampe. Diese Erfindung wurde 1904 von John Ambrose Fleming von der Firma Marconi gemacht, basierend auf Beobachtungen von Thomas Alva Edison an Glühlampen. Vakuumröhren haben ein Filament (die Kathode), das durch Stromfluss mittels Joulescher Wärme erhitzt wird. Das Filament ist oft mit Bariumoxid beschichtet, sodass es bei Erwärmung Elektronen in das umgebende Vakuum emittiert. Diese Elektronen werden elektrostatisch von einer positiv geladenen Platte (der Anode) angezogen, wodurch ein Stromfluss entsteht. Wenn die Kathode nicht heiß ist, kann sie keine Elektronen emittieren. Aus diesem Grund benötigten Schaltungen mit Vakuumröhren eine Aufwärmzeit, bevor sie funktionierten, und die Röhren konnten leicht durchbrennen.

Die PN-Diode

PN-Dioden entstehen durch die Verbindung von zwei extrinsischen Halbleitermaterialien vom p-Typ und n-Typ. Man spricht daher auch von einem PN-Übergang. Es ist wichtig zu beachten, dass die einzelnen Kristalle (p-Typ und n-Typ) vor der Verbindung elektrisch neutral sind, da die Anzahl der positiven Ladungsträger (Protonen im Kern und Löcher) und negativen Ladungsträger (Elektronen) ausgeglichen ist. Die Nettoladung ist jeweils 0.

Entstehung der Raumladungszone

Beim Zusammenfügen der beiden Kristalle diffundieren Elektronen vom n-Kristall in den p-Kristall (Elektronenstrom J_e) und Löcher vom p-Kristall in den n-Kristall.

Durch diese Diffusionsströme entsteht an der Grenzfläche ein Bereich mit ortsfesten Ladungen. Dieser Bereich wird Raumladungszone (RLZ), Verarmungszone oder Sperrschicht genannt.

Während die Diffusion fortschreitet, wächst die Breite der Raumladungszone in beide Kristalle hinein. Die Ansammlung von positiven ortsfesten Ionen im n-Bereich und negativen ortsfesten Ionen im p-Bereich erzeugt ein elektrisches Feld (E). Dieses Feld wirkt einer weiteren Diffusion der freien Ladungsträger entgegen und stoppt sie schließlich.

Dieses elektrische Feld entspricht einer Potentialdifferenz zwischen dem p- und n-Bereich, der sogenannten Diffusionsspannung (V_D). Sie beträgt typischerweise etwa 0,7 V für Silizium und 0,3 V für Germanium.

Die Breite der Raumladungszone im Gleichgewicht liegt typischerweise im Bereich von 0,5 Mikrometern. Wenn eine Seite stärker dotiert ist als die andere, dehnt sich die Raumladungszone weiter in den schwächer dotierten Bereich aus.

Anode und Kathode

Das so entstandene Bauelement ist eine Diode. Ohne eine extern angelegte Spannung befindet sich die Diode im unpolarisierten Zustand. Der p-leitende Bereich wird als Anode (A) bezeichnet, der n-leitende Bereich als Kathode (K oder C).

Es gibt auch spezielle Diodentypen wie Schutzdioden, die zum Schutz von Schaltungen eingesetzt werden.

Polarisation der Diode

Wird eine externe Spannung an die Diode angelegt, spricht man von Polarisation. Diese kann in Durchlassrichtung (direkt) oder in Sperrrichtung (umgekehrt) erfolgen.