Die Diode

1.Einführung

Die Aufgabe der Leistungselektronik besteht in der Aufbereitung elektrischer Energie, welche speisenden Systemen (Netze, Batterien, Generatoren) entnommen und bestimmten Verbrauchern zugeführt wird.

Zur Erfüllung dieser Aufgabe wurden Spezialbauteile, wie die Leistungsdiode, der Leistungstransistor, der Thyristor und der Triac, entwickelt.

Leistungselektronische Bauelemente werden durch Kombination mehrerer Schichten von n- und p-leitenden Halbleitern hergestellt. Dabei spielen die geometrischen Abmessungen der Schichten, ihre Lage zueinander sowie Materialart und Dotierungsstärke eine entscheidende Rolle. Im Nachfolgenden soll auf diese Details nicht weiter eingegangen, sondern lediglich die prinzipielle Funktion der Diode dargestellt werden.

2.Die Diode

Die Diode ist ein passives Halbleiterbauelement mit zwei Anschlüssen, die mit Anode (anode,A) und Kathode (cathode,K) bezeichnet werden. Man unterscheidet zwischen Einzeldioden, die für die Montage auf Leiterplatten gedacht und in einem eigenen Gehäuse untergebracht sind, und integrierten Dioden, die zusammen mit weiteren Halbleiterbauelementen auf einem gemeinsamen Halbleiterträger (Substrat) hergestellt werden. Integrierte Dioden haben einen dritten Anschluss, der aus dem gemeinsamen Träger resultiert und mit Substrat (substrate,S) bezeichnet wird; er ist für die elektrische Funktion von untergeordneter Bedeutung.

Aufbau

Dioden bestehen aus einem pn- oder einem Metall-n-Übergang und werden dem entsprechend als pn- oder Schottky-Dioden bezeichnet; Abb.2. zeigt das Schaltzeichen

und den Aufbau einer Diode. Bei pn-Dioden besteht die p- und die n-Zone im allgemeinen aus Silizium. Bei Einzeldioden findet man noch Typen aus Germanium, die zwar eine geringere Durchlassspannung haben, aber veraltet sind. Bei Schottky-Dioden ist die p-Zone durch eine Metall-Zone ersetzt; sie haben ebenfalls eine geringere Durchlassspannung und werden deshalb u.a. als Ersatz für Germanium-pn-Dioden verwendet.

In der Praxis verwendet man die einfache Bezeichnung Diode für die Silizium-pn-Diode; alle anderen Typen werden durch Zusätze gekennzeichnet. Da für alle Typen mit Ausnahme einiger Spezialdioden dasselbe Schaltzeichen verwendet wird, ist bei Einzeldioden eine Unterscheidung nur mit Hilfe der aufgedruckten Typennummer und dem Datenblatt möglich.

Betriebsarten

Eine Diode kann im Durchlass-, Sperr- oder Durchbruchbereich betrieben werden. Die ideale Diode wirkt wie ein Schalter, dessen Stellung davon bestimmt wird, an welchem der beiden Anschlüsse das positivere und an welchem das negativere Potential anliegt:

- Liegt an der Katode eine negativere und an der Anode eine positivere Spannung an, so ist der Schalter geschlossen: die Diode ist leitend bzw. in Durchlaß- oder Flußrichtung geschaltet; es kommt ein Stromfluß zustande,

- Liegt an der Katode eine positivere und an der Anode eine negativere Spannung an, so ist der Schalter geöffnet: die Diode ist gesperrt bzw. in Sperrichtung geschaltet; es kann kein Strom fließen.

In Kurzform:

- Durchlaßrichtung (Forward Direction) = Minus an Katode, Plus an Anode.

- Sperrichtung (Reverse Direction) = Plus an Katode, Minus an Anode.

Dioden, die überwiegend zur Gleichrichtung vonWechselspannungen eingesetzt werden, bezeichnet man als Gleichrichterdioden; sie werden periodisch abwechselnd im Durchlass- und im Sperrbereich betrieben. Dioden, die für den Betrieb im Durchbruchbereich ausgelegt sind, bezeichnet man als Z-Dioden; sie werden zur Spannungsstabilisierung verwendet. Eine

weitere wichtige Gattung stellen die Kapazitätsdioden dar, die im Sperrbereich betrieben

und aufgrund einer besonders ausgeprägten Spannungsabhängigkeit der Sperrschichtkapazität

zur Frequenzabstimmung von Schwingkreisen eingesetzt werden. Darüber hinaus

gibt es eineVielzahl von Spezialdioden, auf die hier nicht näher eingegangen werden kann.

Abb.2. Schaltzeichen und Aufbau einer Diode. Die Anode ist P-leitend, die Katode N-leitend

2.1.Mehrfachdioden

Mehrfachdioden-Bauelemente enthalten mehrere unabhängige Dioden oder Diodenkombinationen, die für bestimmte Anwendungen gleichsam vorgefertigt sind (als Schutzdioden-Anordnungen, als Zweiweg- oder Brückengleichrichter usw.).

Dioden im Schaltplan

In Abb.2.1. sind die üblichen Schaltsymbole für Dioden zusammengestellt. Beachten Sie die bildhafte Symbolik: der Querstrich ist die Katode, und der Pfeil zeigt in Flußrichtung, wenn die Anode an positiverer Spannung liegt (technische Stromrichtung von Plus nach Minus).