Grundlagen der Halbleitertechnik: Dioden und LEDs erklärt

Halbleiter und die Revolution der Elektronik

Die Halbleitertechnik revolutionierte die Welt der Elektronik. Mit dem Erscheinen von integrierten Schaltkreisen machte die Elektronik einen großen Schritt in Richtung Zukunft. Sie bieten den entscheidenden Vorteil, dass sie trotz ihrer geringen Größe einen niedrigen Stromverbrauch und einen günstigen Preis aufweisen.

Was ist eine Halbleiterdiode?

Eine Halbleiterdiode ist ein Halbleiter-Element, das den Stromfluss nur in eine Richtung ermöglicht. Ihre Anwendung ist besonders dort interessant, wo diese Eigenschaft eine notwendige Voraussetzung ist.

Die Funktionsweise der Flächendiode

Eine Flächendiode wird gebildet, indem ein P-Typ-Kristall mit einem N-Typ-Kristall zusammengefügt wird. Beim Zusammenfügen neutralisieren sich zwei entgegengesetzte Ladungen in der Grenzschicht. Verbindet man eine Batterie so, dass der positive Pol am P-Kristall und der negative Pol am N-Kristall liegt, werden die Ladungsträger von der Oberfläche abgestoßen.

Merkmale einer Diode in Durchlassrichtung

Das Verhältnis zwischen den verschiedenen Werten der Vorspannung (Bias-Spannung) und der Stromdifferenz ist in Durchlassrichtung entscheidend. Wenn diese Spannung anliegt, beginnt die Diode ab einem gewissen Mindestpotenzial signifikant zu leiten.

Merkmale einer Diode in Sperrrichtung

In Sperrrichtung (Reverse-Bias) fließt kaum Strom durch die Diode. Hierbei wird der N-Kristall mit dem positiven Pol der Batterie und der P-Kristall mit dem negativen Pol verbunden.

Nennstrom und maximale Leistung

Dioden wurden entwickelt, um unter bestimmten Nennbedingungen optimal zu arbeiten. Kritische Faktoren sind:

• Das Überschreiten der Sperrspannung
• Das Überschreiten der maximalen Leistung

Dioden besitzen die Fähigkeit, die am Übergang produzierte Wärme abzuführen. Wenn der in der Diode erzeugte Strom jedoch größer ist als die Kapazität der Verlustleistung, kann das Bauteil Schaden nehmen.

LED-Leuchtdioden und ihre Anwendung

LEDs (Leuchtdioden) werden verwendet, um Zahlen und Buchstaben in Displays oder kleinen Signalleuchten anzuzeigen. Diese Halbleiter-Bauelemente werden durch das Zusammenfügen von PN-Übergängen hergestellt. Wenn ein solcher Kristall mit einer Gleichspannung in Durchlassrichtung betrieben wird, überqueren Valenzelektronen des N-Typs den Übergang und rekombinieren mit den Löchern im P-Kristall.

Wichtige Kennwerte von LEDs

• Durchlassspannung: Dies ist der Spannungsabfall, der an der LED auftritt, wenn Strom in Durchlassrichtung fließt.
• Durchlassstrom: Dies ist der Strom, der durch die LED fließen muss, um die gewünschte Lichtintensität zu erreichen.
• Sperrstrom: Der Strom, der durch die Leuchtdiode fließt, wenn eine Spannung in Sperrrichtung angelegt wird.
• Verlustleistung: Ein Teil der Leistung wird nicht in Licht umgewandelt, sondern wird zu Wärme. Diese muss nach außen abgeführt werden, um das Bauteil nicht zu beschädigen.