Diode

Geschichte

Die ersten Arten von Dioden wurden Fleming-Ventile genannt. Sie waren Vakuumröhren. Sie befanden sich in einer Glasröhre (ähnlich wie eine Glühbirne). Im Inneren des Glaskolbens befanden sich ein kleiner Metalldraht und eine große Metallplatte. Der kleine Metalldraht erhitzte sich und gab Elektrizität ab, die von der Platte aufgefangen wurde. Die große Metallplatte wurde nicht erhitzt, so dass der Strom in eine Richtung durch die Röhre fließen konnte, aber nicht in die andere Richtung. Fleming-Ventile werden nicht mehr oft verwendet, da sie durch Halbleiterdioden ersetzt wurden, die kleiner als Fleming-Ventile sind. Auch Thomas Edison entdeckte diese Eigenschaft bei der Arbeit an seinen Glühbirnen.

Konstruktion

Halbleiterdioden bestehen aus zwei Arten von Halbleitern, die miteinander verbunden sind. Der eine Typ hat Atome mit zusätzlichen Elektronen (n-Seite genannt). Der andere Typ hat Atome, die Elektronen wünschen (p-Seite genannt). Aus diesem Grund fließt der Strom leicht von der Seite mit zu vielen Elektronen auf die Seite mit zu wenigen Elektronen. In der umgekehrten Richtung fließt die Elektrizität jedoch nicht leicht. Diese verschiedenen Typen werden durch Dotierung (Halbleiter) hergestellt. Silizium mit darin gelöstem Arsen ist ein guter n-Seiten-Halbleiter, während Silizium mit darin gelöstem Aluminium ein guter p-Seiten-Halbleiter ist. Auch andere Chemikalien können funktionieren.

Der Anschluss an die n-Seite wird als Kathode, der Anschluss an die p-Seite als Anode bezeichnet.

Aufbau einer Röhrendiode

Funktion einer Diode

Positive Spannung an der p-Seite

Wenn Sie der p-Seite eine positive Spannung und der n-Seite eine negative Spannung geben, werden die Elektronen auf der n-Seite auf die positive Spannung auf der p-Seite und die Löcher auf der p-Seite auf die negative Spannung auf der n-Seite gehen wollen. Aus diesem Grund ist ein Stromfluss möglich, aber es bedarf einer bestimmten Spannung, um diesen in Gang zu setzen (eine sehr geringe Spannung reicht nicht aus, um den elektrischen Strom fließen zu lassen). Dies wird als Einschaltspannung bezeichnet. Die Einschaltspannung einer Siliziumdiode liegt bei etwa 0,7 V. Eine Germaniumdiode benötigt eine Einschaltspannung von etwa 0,3 V.

Negative Spannung an der p-Seite

Wenn Sie stattdessen negative Spannung an die p-Seite und positive Spannung an die n-Seite geben, wollen die Elektronen der n-Seite zur positiven Spannungsquelle gehen, statt zur anderen Seite der Diode. Dasselbe geschieht auf der p-Seite. Es fließt also kein Strom zwischen den beiden Seiten der Diode. Eine Erhöhung der Spannung wird schließlich elektrischen Strom zum Fließen zwingen (dies ist die Durchbruchspannung). Viele Dioden werden durch einen Rückwärtsfluss zerstört, aber einige sind so gebaut, dass sie diesen überleben können.

Einfluss der Temperatur

Wenn die Temperatur steigt, sinkt die Einschaltspannung. Dies erleichtert den Stromdurchgang durch die Diode.

Arten von Dioden

Es gibt viele Arten von Dioden. Einige haben sehr spezifische und andere eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten.

Symbole

Hier sind einige gebräuchliche Halbleiterdioden-Symbole, die in schematischen Diagrammen verwendet werden:

Diode	Zener-Diode	Schottky-Diode	Tunnel-Diode
Licht-emittierende Diode	Fotodiode	Varicap	Gesteuerter Silizium-Gleichrichter

Standard-Gleichrichterdiode

Dadurch wird A/C (Wechselstrom, wie in einer Steckdose in einem Haus) in D/C (Gleichstrom, der in der Elektronik verwendet wird) umgewandelt. Die Standard-Gleichrichterdiode hat spezifische Anforderungen. Sie sollte hohe Ströme verkraften, nicht stark temperaturabhängig sein, eine niedrige Einschaltspannung haben und schnelle Änderungen der Stromflussrichtung unterstützen. Moderne analoge und digitale Elektronik verwendet solche Gleichrichter.

Lichtemittierende Diode

Eine LED erzeugt Licht, wenn Strom durch sie fließt. Sie ist eine langlebigere und effizientere Art der Lichterzeugung als Glühbirnen. Je nachdem, wie sie hergestellt wurde, kann die LED verschiedene Farben erzeugen. LEDs wurden erstmals in den 1970er Jahren eingesetzt. Die Leuchtdiode wird die Glühbirne möglicherweise irgendwann ersetzen, da die sich entwickelnde Technologie sie heller und billiger macht (sie ist bereits effizienter und hält länger). In den 1970er Jahren wurden die LEDs zur Anzeige von Zahlen in Geräten wie z.B. Taschenrechnern und bei größeren Geräten zur Anzeige der eingeschalteten Leistung verwendet.

Fotodiode

Eine Fotodiode ist ein Fotodetektor (das Gegenteil einer lichtemittierenden Diode). Sie reagiert auf einfallendes Licht. Fotodioden haben ein Fenster oder einen Lichtleiteranschluss, der Licht in den empfindlichen Teil der Diode einlässt. Dioden haben normalerweise einen starken Widerstand; das Licht verringert den Widerstand.

Zener-Diode

Eine Zenerdiode ist wie eine normale Diode, aber anstatt durch eine große Sperrspannung zerstört zu werden, lässt sie Strom durch. Die dazu benötigte Spannung wird als Durchbruchspannung oder Zenerspannung bezeichnet. Da sie mit einer bekannten Durchbruchspannung gebaut ist, kann sie zur Versorgung mit einer bekannten Spannung verwendet werden.

Varactor-Diode

Die Varicap- oder Varaktordiode wird in vielen Geräten verwendet. Sie nutzt den Bereich zwischen der p-Seite und der n-Seite der Diode, in dem sich Elektronen und Löcher gegenseitig ausgleichen. Dies wird als Verarmungszone bezeichnet. Durch Änderung der Höhe der Sperrspannung ändert sich die Größe der Verarmungszone. In diesem Bereich gibt es eine gewisse Kapazität, die sich je nach Größe der Verarmungszone ändert. Dies wird als variable Kapazität oder kurz Varicap bezeichnet. Sie wird in PLLs (Phase-Locked Loops) verwendet, die zur Steuerung der Hochgeschwindigkeitsfrequenz dienen, mit der ein Chip läuft.

Stufen-Wiederherstellungs-Diode

Das Symbol ist das Symbol einer Diode mit einer Art Haken. Es wird in Schaltkreisen mit hohen Frequenzen bis zu GHz verwendet. Sie schaltet sich sehr schnell aus, wenn die Vorwärtsspannung stoppt. Dazu verwendet sie den Strom, der nach der Umpolung fließt.

PIN-Diode

Der Aufbau dieser Diode hat eine intrinsische (normale) Schicht zwischen der n- und der p-Seite. Bei langsameren Frequenzen verhält sie sich ähnlich wie eine Standarddiode. Aber bei hohen Geschwindigkeiten kann sie mit schnellen Änderungen nicht mithalten und beginnt, wie ein Widerstand zu wirken. Durch die intrinsische Schicht kann sie auch hohe Eingangsleistungen verarbeiten und kann als Fotodiode verwendet werden.

Schottky-Diode

Das Symbol dafür ist das Diodensymbol, mit einem "S" an der Spitze. Anstatt dass beide Seiten ein Halbleiter sind (wie Silizium), ist eine Seite aus Metall, wie Aluminium oder Nickel. Dadurch wird die Einschaltspannung auf etwa 0,3 Volt reduziert. Dies entspricht etwa der Hälfte der Schwellenspannung einer gewöhnlichen Diode. Die Funktion dieser Diode besteht darin, dass keine Minoritätsträger injiziert werden - die n-Seite hat nur Löcher, keine Elektronen, und die p-Seite hat nur Elektronen, keine Löcher. Da diese sauberer ist, kann sie schneller reagieren, ohne Diffusionskapazität, die sie verlangsamen kann. Außerdem erzeugt sie weniger Wärme und ist effizienter. Aber sie hat einen gewissen Verluststrom bei Rückwärtsspannung.

Wenn eine Diode von bewegtem Strom auf nicht bewegten Strom umschaltet, wird dies als Schalten bezeichnet. In einer typischen Diode dauert dies Dutzende von Nanosekunden; dabei entsteht ein gewisses Funkrauschen, das die Funksignale vorübergehend verschlechtert. Die Schottky-Diode schaltet in einem kleinen Bruchteil dieser Zeit, weniger als eine Nanosekunde.

Tunnel-Diode

Im Symbol der Tunneldiode befindet sich am Ende des üblichen Symbols eine Art zusätzliche eckige Klammer.

Eine Tunneldiode besteht aus einem hochdotierten pn-Übergang. Aufgrund dieser hohen Dotierung gibt es nur eine sehr schmale Lücke, durch die die Elektronen hindurchtreten können. Dieser Tunneleffekt tritt in beiden Richtungen auf. Nachdem eine bestimmte Menge an Elektronen passiert ist, nimmt der Strom durch die Lücke ab, bis der normale Strom durch die Diode bei der Schwellenspannung beginnt. Dadurch entsteht ein Bereich mit negativem Widerstand. Diese Dioden werden verwendet, um mit sehr hohen Frequenzen (100 GHz) umzugehen. Sie sind auch strahlungsresistent, so dass sie in Raumfahrzeugen verwendet werden. Sie werden auch in Mikrowellen und Kühlschränken verwendet.

Rückwärts gerichtete Diode

Das Symbol hat am Ende der Diode ein Zeichen, das wie ein großes I aussieht. Es ist ähnlich wie die Tunneldiode aufgebaut, aber die n- und die p-Schicht sind nicht so hoch dotiert. Sie lässt den Strom mit kleinen negativen Spannungen rückwärts fließen. Sie kann verwendet werden, um niedrige Spannungen (weniger als 0,7 Volt) gleichzurichten.

Silizium-gesteuerter Gleichrichter (SCR)

Statt zwei Schichten wie eine normale Diode hat diese vier Schichten, es sind im Grunde zwei Dioden zusammengesetzt, mit einem Gate in der Mitte. Wenn Spannung zwischen dem Gate und der Kathode fließt, schaltet sich der untere Transistor ein. Dadurch wird der Strom durchgelassen, der den oberen Transistor aktiviert, und dann muss der Strom nicht durch eine Gate-Spannung eingeschaltet werden.