Das Buch zu dieser Webseite

Elektronik-Fibel

Die Elektronik-Fibel, das Elektronik-Buch

Käufer der Elektronik-Fibel Kundenmeinung:
Die Elektronik-Fibel ist einfach nur genial. Einfach und verständlich, nach so einem Buch habe ich schon lange gesucht. Es ist einfach alles drin was man so als Azubi braucht. Danke für dieses schöne Werk.

Elektronik-Fibel
jetzt bestellen!

oder

Die Elektronik-Fibel ist im iBookstore erhältlich

oder

Die Elektronik-Fibel für Amazon Kindle erhältlich

Das Buch zu dieser Webseite

Timer 555

Timer 555

Käufer des Timer-Buchs Kundenmeinung:
Hätte ich das Timer-Buch schon früher gehabt, dann hätte ich mir die Rumfrickelei am NE555 sparen können.

Das Timer-Buch
jetzt bestellen!

Elektronik Lernpakete

Lernpaket Einstieg in die Elektronik

Lernpaket Einstieg in die Elektronik

Lernpaket Elektronik

Lernpaket Elektronik

Lernpaket Elektronische Schaltungen selbst entwickeln und aufbauen

Lernpaket Elektronische Schaltungen selbst entwickeln und aufbauen

Diode / Halbleiterdiode

verschiedene Halbleiterdioden

Die Halbleiterdiode bzw. Diode ist das Grundbauelement in der Halbleitertechnik. In der Halbleiterdiode wird der pn-Übergang abgebildet und dessen Funktionsweise als Bauelement genutzt. Die Halbleiterdiode besteht also aus einer p- und einer n-leitenden Schicht. Die Schichten sind in einem Gehäuse miteinander verbunden und mit Anschlüssen versehen. Wegen dem pn-Übergang ist eine Halbleiterdiode gepolt. Ihre Haupteigenschaft ist, den Strom nur in eine Richtung durchzulassen. Oder anders ausgedrückt, ihr Leitfähigkeit hängt hauptsächlich von der Polung ab.

Aufbau und Schaltzeichen

PN-Übergang, Schaltzeichen und Halbleiterdiode
Das Bild zeigt den Prinzip-Aufbau, das Schaltzeichen und das Bauteil (axial) mit Markierungsring (Kathode). Das Dreieck im Schaltzeichen stellt die p-Schicht bzw. Anode dar. Der Balken die n-Schicht bzw. Kathode. Die Dreiecksspitze zeigt die technische Stromrichtung in Durchlassrichtung an.
Das Bauteil besitzt eine Ringmarkierung auf der Kathodenseite. Dadurch kann man die Anschlüsse voneinander unterscheiden.
Die Diode wird mit dem Plus-Pol an der Anode in Durchlassrichtung und mit dem Plus-Pol an der Kathode in Sperrrichtung betrieben.

Diodenkennlinie

Die Diodenkennlinie zeigt das Widerstandsverhalten der Diode bei unterschiedlichen Strömen und Spannungen an. Da die Diode je nach Polung ein unterschiedliches Verhalten aufweist, besteht das Kennlinienfeld aus einem Durchlassbereich (Diode in Durchlassrichtung) und einen Sperrbereich (Diode in Sperrrichtung). Da Dioden nicht alle gleich sind, hat jede Diode eine andere Kennlinie.
Im Kennlinienfeld sind die Spannungs- und Stromverhaltensweisen einer Germanium- (Ge) und einer Silizium-Diode (Si) dargestellt. Der Durchlassbereich, in dem die Kennlinien der Diode in Durchlassrichtung betrieben wird, liegt rechts oben. Der Sperrbereich, in dem die Kennlinien der Diode in Sperrrichtung betrieben wird, liegt links unten. Die beiden anderen Felder spielen keine Rolle.

Diodenkennlinie
Die Kennlinie ergibt sich z. B. aus einer Messung. Dazu werden die Messwerte in die richtigen Koordinaten eingesetzt. Die Punkte werden dann miteinander verbunden. Daraus ergibt sich eine grafische Darstellung der Messwerte: die Kennlinie. Alternativ gibt es die Möglichkeit die Kennlinie mit Hilfe eines Oszilloskops darzustellen.

Die Kennlinie kann z. B. dazu verwendet werden um die Schwellspannung oder den differentiellen Widerstand rF zu bestimmen.
Bei einer kleinen Durchlassspannung UF fließt nur ein kleiner Strom IF. Die Sperrschicht durch die Ladungsträgerdiffusion ist noch sehr groß. Die Halbleiterdiode bzw. der pn-Übergang ist noch sehr hochohmig. Mit steigender Spannung steigt auch der Strom. Aber nur ganz leicht. Ab einer bestimmten Durchlassspannung UF steigt der Durchlassstrom IF stark an. Dieser Spannungswert wird Schleusenspannung genannt, weil die Sperrschicht abgebaut wird und der pn-Übergang sich für den Stromfluss öffnet. Die Schleusenspannung wird auch Schwellspannung genannt. Oberhalb der Schwellspannung bleibt die Haltleiterdiode niederohmig.

Schwellspannung ~ Diffusionsspannung (Durchlassrichtung)

Die Schwellspannung (ungefähr Diffusionsspannung) ist der wichtigste Nennwert einer Diode. Die Schwellspannung gibt an, ab welcher Spannung eine Halbleiterdiode in Durchlassrichtung leitend wird. Das bedeutet, eine Diode in Durchlassrichtung ist nicht immer leitend, sondern erst ab einer bestimmten Schwellspannung.
Es spielt dabei keine Rolle, in welchem Spannungsbereich sich eine Diode befindet. Die Anode der Diode muss in Durchlassrichtung nur um die Schwellspannung positiver sein als die Kathode. Die Schwellspannung ist also als Potential zu sehen.
Die Schwellspannung ist abhängig vom Halbleitermaterial und entspricht nur einem ungefähren Wert. Ein paar Beispiele häufiger Halbleitermaterialien:

Hinweis: Schwellspannungen gelten nicht nur für Halbleiterdioden, sondern zum Beispiel auch für Transistoren. Hier gibt es auch einen pn-Übergang.

Durchbruchspannung (Sperrrichtung)

Die Durchbruchspannung bezieht sich auf eine physikalische Eigenschaft einer Silizium-Diode, die in Sperrrichtung geschaltet ist. Bei der Silizium-Diode haben wir einen sehr kleinen Sperrstrom IR. Ab einer bestimmten Sperrspannung UR werden die Elektronen aus ihren Kristallbindungen gelöst. Dann kommt es zum so genannten Zenerdurchbruch (Durchbruchspannung). Dabei steigt der Strom schlagartig an. Wird dieser Strom nicht begrenzt, dann zerstört sich die Diode.
Bei Germanium-Dioden kommt der Zenerdurchbruch nicht zum Tragen. Dafür steigt der Sperrstrom IR bei steigender Spannung langsam an. Ab einer bestimmten Spannung erhitzen sich die Halbleiterkristalle so stark, dass es zum Wärme-Durchbruch und zur Zerstörung kommt. Die Zerstörung der Halbleiterkristalle ist auch im Durchlassbereich möglich, wenn der maximale Strom überschritten wird.

Ermittlung der Diodenkennlinie

Um die Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung eines elektronischen Bauelements zu ermitteln wird eine Messschaltung zur Aufnahme der Strom- und Spannungswerte aufgebaut. Diese Schaltung kann zum Beispiel auf die Halbleiterdiode angewendet werden. Die Messschaltung besteht aus einer Spannungsquelle, einem Vorwiderstand zur Strombegrenzung, einem Strommessgerät, einem Spannungsmessgerät und der Halbleiterdiode.
Üblicherweise macht man sich nicht die Mühe eine Diodenkennlinie zu ermitteln. Stattdessen wirft man einen Blick in das Datenblatt der Diode. Dort sind alle notwendigen Kennlinien verzeichnet, die die Abhängigkeit zweier Werte darstellen. Aus jeder dieser Kennlinien ergeben sich ganz bestimmte Eigenschaften.
Die folgenden Messschaltungen zeigt die Anordnung der Schaltungsteile und Messgeräte. Die Strom- und Spannungspfeile sind auch eingezeichnet.

Diodenschaltung zur Messung/Aufnahme der Diodenkennlinie im Durchlassbereich

Diodenschaltung
Uges = Spannung der Spannungsquelle
UF = Durchlassspannung, Schwellspannung (Schwellwert)
IF = Durchlassstrom

Diodenschaltung zur Messung/Aufnahme der Diodenkennlinie im Sperrbereich

Diodenschaltung
Uges = Spannung der Spannungsquelle
UR = Sperrspannung
IR = Sperrstrom

Messwerte im Durchlassbereich für eine Silizium-Diode

UF / V 0,30,40,50,60,70,75
IF / mA 00,020,21,51030

Die Messwerte beziehen sich auf eine Silizium-Diode in Durchlassrichtung. Um die Durchlassspannung UF zu erhöhen, wird die Spannung Uges des Netzgerätes gleichmäßig erhöht. Nach jedem Schritt wird der Strom in die Tabelle eingetragen.

Eigenschaften einer Halbleiterdiode

Halbleiterdioden mit speziellen Eigenschaften

Übersicht: Halbleiterdioden

Typ Gehäuse UR/V IF/mA IR/µA
1 N 4001 DO-7 50 1000 10
1 N 4002 DO-7 100 1000 10
1 N 4003 DO-7 200 1000 10
1 N 4004 DO-7 400 1000 10
1 N 4005 DO-7 600 1000 10
1 N 4006 DO-7 800 1000 10
1 N 4007 DO-7 1000 1000 10
1 N 4148 DO-35 75 200 0,025
BAT 85 DO-34 30 300 2
BAX 12 DO-35 90 800 0,1

Anwendungen

Weitere verwandte Themen:

Die Elektronik-Fibel, das Elektronik-Buch

Die Elektronik-Fibel ist im iBookstore erhältlich Die Elektronik-Fibel für Amazon Kindle erhältlich