Halbleiterdiode: Aufbau und Funktion erklärt

Eine Halbleiterdiode besteht meist aus zwei unterschiedlich dotierten Bereichen desselben Grundmaterials, häufig Silicium.

• Im n-dotierten Bereich gibt es einen Überschuss an frei beweglichen Elektronen.
• Im p-dotierten Bereich fehlen an manchen Bindungsstellen Elektronen. Eine solche freie Stelle heißt Loch und verhält sich im Modell wie ein beweglicher positiver Ladungsträger.

Werden beide Bereiche verbunden, entsteht zwischen ihnen der pn-Übergang. Elektronen bewegen sich zunächst vom n- in das p-Gebiet. Löcher bewegen sich in die Gegenrichtung.

Trifft ein Elektron auf ein Loch, verschwindet dieses Paar als bewegliche Ladungsträger. Dieser Vorgang heißt Rekombination. In der Nähe der Grenzfläche bleiben ortsfeste positive und negative Ladungen zurück.

Dieses innere Feld wirkt der weiteren Bewegung von Elektronen und Löchern entgegen. So stellt sich ein Gleichgewicht ein: Ohne äußere Spannung fließt durch den pn-Übergang kein dauerhafter Strom.

Die Wirkung der äußeren Spannung hängt davon ab, welcher Pol mit welchem Halbleiterbereich verbunden ist.

Durchlassrichtung

Verbinde den Pluspol mit dem p-Bereich und den Minuspol mit dem n-Bereich.

1. Der Minuspol drückt Elektronen im n-Bereich zum pn-Übergang.
2. Der Pluspol zieht Elektronen aus dem p-Bereich ab; dadurch entstehen dort weitere Löcher.
3. Das äußere Feld schwächt das innere Feld der Raumladungszone.
4. Die Raumladungszone wird schmaler und der Strom steigt stark an.

Die Elektronen bewegen sich im äußeren Stromkreis vom Minus- zum Pluspol. Die vereinbarte technische Stromrichtung zeigt entgegengesetzt: vom Plus- zum Minuspol.

Sperrrichtung

Verbinde den Pluspol mit dem n-Bereich und den Minuspol mit dem p-Bereich.

1. Die beweglichen Ladungsträger werden von der Grenzfläche weggezogen.
2. Das äußere Feld verstärkt das Feld der Raumladungszone.
3. Die Raumladungszone wird breiter.
4. Die Diode sperrt weitgehend.

Eine Kennlinie zeigt, wie der Strom durch die Diode von der angelegten Spannung abhängt.

Im einfachen Schwellenmodell behandelt man eine Siliciumdiode so, als würde sie unterhalb von ungefähr 0,7 V kaum und oberhalb davon gut leiten. Dieser Wert heißt häufig Schwellenspannung oder Schleusenspannung.

Die reale Kennlinie besitzt jedoch keinen harten Sprung:

• In Durchlassrichtung wird der Strom bei Siliciumdioden ab ungefähr 0,4 V merklich.
• Zwischen etwa 0,6 V und 0,7 V steigt er stark an.
• Der Spannungswert von 0,7 V ist daher ein praktischer Näherungswert und keine exakte Ein-Aus-Grenze.
• Bei Germaniumdioden liegt die typische Schwelle niedriger, ungefähr bei 0,35 V.

Auch in Sperrrichtung ist eine reale Diode nicht vollkommen undurchlässig. Es fließt ein kleiner Leckstrom. Wird die zulässige Sperrspannung überschritten, kann ein Durchbruch auftreten. Bei einer gewöhnlichen Diode kann die dabei entstehende hohe Verlustleistung das Bauteil zerstören.

Bei Wechselstrom kehrt sich die Stromrichtung regelmäßig um. Eine Diode kann daraus einen Strom machen, der nur noch in einer Richtung fließt.

Die Ventilvorstellung hilft: Ein Rückschlagventil lässt eine Flüssigkeit bevorzugt in einer Richtung passieren. Ebenso lässt eine Diode elektrischen Strom hauptsächlich in ihrer Durchlassrichtung fließen. Die Analogie ist nicht vollständig, macht aber die Einwegwirkung anschaulich.

Du kannst eine Halbleiterdiode nun auf drei Ebenen erklären: Ihr pn-Übergang erzeugt die Raumladungszone, die äußere Polung verändert diese Zone, und das daraus entstehende Einwegverhalten ermöglicht Anwendungen wie die Gleichrichtung.