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Halbleiterdioden
 
     
 
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Inhalt:
 Allgemeines
 Funktionsweise einer Halbleiterdiode
 Zusammenfassung
 Verwendung in der Elektronik
  Verwandte Themen:
 Induktivität
 Kondensator
 Operationsverstärker
 Röhre (Dioden, Trioden etc.)
 Transistor


Allgemeines

Eine Diode hat die Eigenschaft, Strom nur in einer Richtung durchzulassen. Wie Dioden in Röhrentechnik funktionieren, können Sie in  Röhren nachlesen, während nachfolgend beschrieben wird, wie Halbleiterdioden funktionieren.


Funktionsweise einer Halbleiterdiode

Halbleiterdioden sind sehr einfach aufgebaut und bestehen lediglich aus n- und p-dotiertem Halbleitermaterial, das wie in Bild 1 dargestellt angeordnet ist.


Bild 1: Prinzipieller Aufbau einer Halbleiterdiode

Man bringt also einfach n- und p-dotiertes Halbleitermaterial in Kontakt zueinander, und schließt an die beiden Halbleiterschichten jeweils ein Kabel an. Ohne äußere Spannung befinden sich im n-dotierten Material eine ganze Reihe von negativ geladene Stellen und in p-dotierten Material positiv geladene. Positiv geladene Stellen heißt hier, daß dort ein (negativ geladenes) Elektron fehlt. Man spricht man auch von Loch. Die Anzahl der freien Elektronen und der Löcher ist eine Materialkonstante und ändert sich nicht. Man kann daher nicht die Löcher mit Elektronen "zuschütten" oder die freien Elektronen aus dem Material entfernen. Man kann durch Anlegen von elektrischen Feldern lediglich ihre Position im Material beeinflussen.

Ohne äußere Spannung passiert noch nichts. Legt man an die Diode eine Spannung derart gepolt an, daß das n-dotierte Material mit dem positven und das p-dotierte Material mit dem negativen Pol verbunden ist, so sperrt die Diode. Der Grund hierfür ist, daß sich ähnlich wie bei Magneten gleiche Ladungen abstoßen und unterschiedliche anziehen. Elektronen sind immer negativ geladen und stoßen sich daher ab. Verbindet man das n-dotierte Halbleitermaterial der Diode mit dem positiven Pol einer externen Spannungsquelle, so wandern die Elektronen wegen der Anziehung in Richtung dieses Pols. Gleichzeitig wandern die Löcher aus dem gleichen Grund in Richtung des negativen Pols. Dadurch gibt es in der Mitte der Diode überhaupt keine freien Ladungen, weder Elektronen noch Löcher. Ohne frei bewegliche Ladungen gibt es aber keinen Stromfluß. Somit kann in dieser Richtung kein Strom fließen. Dieser Sachverhalt ist in Bild 2 dargestellt.


Bild 2: Halbleiterdiode in Sperrichtung

Polt man die Diode jedoch um, wirken ebenfalls Anziehung und Abstoßung. Dieses Mal werden die Elektronen im n-dotierten Material durch die Elektronen der Spannungsquelle in Richtung Mitte verdrängt, wo sie den positiv geladenen Löchern (Loch heißt fehlendes Elektron!) sehr nahe kommen und mit nur wenig Energie d.h. Spannungsdifferenz auf eine Lochposition springen und dieses ausfüllen. Im p-dotierten Material passiert das Gleiche: Die positiv geladenen Löcher werden in Richtung Mitte gedrückt, wo sie einfach verschwinden, weil die Lochstellen von Elektronen aus der n-dotierten Seite besetzt werden, wie in Bild 3 dargestellt.


Bild 3: Halbleiterdiode in Flußichtung

Für jedes Paar aus Elektron und Loch, das in der Mitte, der sogenannten Sperrschicht, verschwindet, kann ein weiteres Elektron in das n-dotierte Material nachfließen und wird sofort in Richtung Mitte gedrückt. Auf der anderen Seite passiert das Gleiche mit einem Loch. Doch halt: Löcher können nicht einfach durch den metallischen Anschlußdraht fließen, so wie dies im obigen Bild dargestellt ist. Aber Löcher, d.h. fehlende Elektronen, die gedanklich im Bild nach links fließen, bedeuten nichts anderes, als daß Elektronen in der umgekehrten Richtung fließen. Die Löcherleitung findet somit nur im p-dotierten Material statt, so daß der Löcherfluß im Anschlußdraht nur ein Denkmodell ist. Die Anzahl der Elektronen im n-dotierten und die Anzahl der Löcher im p-dotierten Halbleitermaterial ist immer konstant. Dort, wo der Anschlußdraht mit dem p-dotierten Material verbunden ist, fließt ein Elektron in Richtung der positiven Spannungsquelle und hinterläßt im Halbleitermaterial daher ein Loch, wenn ein Loch in der Nähe der Sperrschicht verschwindet. Somit fließen Elektronen in das n-dotierte Material hinein. Aus dem p-dotierten Material fließen hingegen Elektronen in exakt der gleichen Anzahl hinaus. Dies bedeutet, daß ein Stromfluß stattfindet und die Diode leitet.


Zusammenfassung

Eine Diode besteht aus zwei Schichten, einem n-dotierten und einem p-dotierten Halbleitermaterial, die sich berühren. Aufgrund von Abstoßung bzw. Anziehung von gleichen Ladungen findet abhängig von der Polung einer externen Spannungquelle entweder ein Stromfluß statt oder wird komplett unterbunden. Somit leitet eine Diode nur in eine Richtung.


Verwendung in der Elektronik

Sehr häufig werden Dioden als sogenannte Gleichrichterdioden verwendet. Dadurch daß Dioden Strom nur in eine Richtung durchlassen, erhält man am Ausgang einen pulsierenden Gleichstrom (in Sperrichtung betrieben ist die Ausgangsspannung Null). Es gibt jedoch noch viele weitere Anwendungen in der Elektronik, bei denen es darauf ankommt, daß sehr kleine Steuerströme nur in eine Richtung fließen können.
   

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Letztes Update dieser Seite: 23.08.2014 (Untergeordnete Seiten können aktueller sein)