Informations- und Kommunikationstechnik

pn-Halbleiterdiode

Im Grundlagenbereich ist eine allgemeine Beschreibung der p- und n-Halbleiter und des pn-Übergangs zu finden. Eine Halbleiterdiode besteht als zweipoliges Bauelement aus einem p- und n-dotierten Halbleiterkristall. Die gemeinsame Kontaktfläche bildet den pn-Übergang. Zwischen den verschieden dotierten Halbleiterkristallen findet ein Austausch der Ladungsträger statt. Einige Elektronen aus dem n-leitenden Bereich wandern in den p-Halbleiter ein. Sie werden dort von den positiven Ladungsträgern, Löcher oder Defektelektronen genannt, angezogen.

Im Kontaktbereich sind beide Halbleiterkristalle nicht mehr elektrisch neutral. Der n-Halbleiter bildet eine positive Ladungszone. Im angrenzenden p-Halbleiter entsteht eine negative Ladungszone. Im stromlosen Zustand kommt der Diffusionsvorgang von selbst zum Stillstand. Im Kontaktbereich beider Halbleitertypen, der Grenzschicht, baut sich dabei eine Raumladungszone auf. Die Höhe der Diffusionsspannung wird vom Halbleitermaterial und von der Stärke der Dotierung bestimmt. Durch den Diffusionsvorgang verarmt die Grenzschicht an freien Ladungsträgern und wird zur hochohmigen Sperrschicht.

Germaniumhalbleiter weisen eine Diffusionsspannung von rd. (0,2 ... 0,4) 0,3 Volt auf.
Siliziumhalbleiter weisen eine Diffusionsspannung von rd. (0,4 ... 0,8) 0,7 Volt auf.

Wird an eine Diode mit diesem pn-Übergang eine äußere Spannung angelegt, so bestimmt die Polung, ob ein Strom fließen kann. Liegt der negative Pol am p-Halbleiter und der positive Pol am n-Halbleiter an, so verbreitert sich die Sperrschicht. Die messbaren Stromwerte bleiben im μA-Bereich. Bei umgekehrter Polung mit dem Pluspol an der p-Zone und dem Minuspol an der n-Zone wird die Sperrschicht abgebaut. Sie wird niederohmig und ermöglicht den Stromfluss. Die Stromwerte liegen je nach Diodentyp und Bauform zwischen einigen mA bis kA. Die Halbleiterdiode wirkt wie ein mechanisches Rückschlagventil. Der Stromfluss kann nur in einer Richtung erfolgen und bleibt in Gegenrichtung gesperrt.

Die Diode in Durchlassrichtung

Das Schaltzeichen einer einfachen Halbleiterdiode ist eine geschlossene Pfeilspitze auf einen senkrechten Strich. Die beiden Elektroden werden als Anode, gekennzeichnet durch die Pfeilspitze und Kathode, dem folgenden senkrechten Strich bezeichnet. Die Pfeilrichtung, von der Spitze zum Strich, gibt die technische Stromrichtung der leitenden Diode an. Das folgende Diagramm zeigt die Kennlinien verschiedener Dioden im Durchlassbereich.

Diodenkennlinien verschiedener Halbleitertypen

Ausreichend weit unterhalb der Schleusenspannung, bleibt der Durchgangsstrom mit (1 ... 100) μA fast nicht messbar. Die Sperrschicht ist noch nicht abgebaut und der pn-Übergang ist hochohmig.

Nahe der Schleusenspannung wird die Sperrschicht abgebaut und der Strom nimmt mit nicht linearem Verlauf zu.

Oberhalb der Schwellspannung ist die Sperrschicht abgebaut und der Halbleiter sehr niederohmig. Der Durchlassstrom steigt sehr schnell schnell an. Damit er seinen vom Hersteller bestimmten Maximalwert nicht übersteigt, muss der Strom durch einen Vorwiderstand begrenzt werden.

Am Innenwiderstand des leitenden Halbleiters entsteht Wärme, die seine Leitfähigkeit verbessert. Je 10 Grad Temperaturerhöhung verdoppelt sich durch Paarbildung in Germaniumdioden die Zahl der freien Ladungsträger im Kristall, während sie sich in Siliziumdioden sogar verdreifacht. Ohne wirksame Strombegrenzung wird letztlich das Bauteil zerstört.

Die zum Abbau der Sperrschicht notwendige Spannung wird Schwell- oder Schleusenspannung genannt. Sie entspricht der Diffusionsspannung des stromlosen pn-Übergangs. Oberhalb der Schleusenspannung ist die Halbleiterdiode niederohmig und leitend. Die Diode wird dort in Vorwärtsrichtung oder im Durchlassbereich betrieben.

Halbleiterdioden besitzen keinen konstanten Innenwiderstandswert. Er ist vom gewählten Arbeitspunkt abhängig. Im steilen Kennlinienbereich oberhalb der Schleusenspannung kann in guter Näherung nach dem ohmschen Gesetz ein konstanter Gleichstromwiderstandswert errechnet werden. Im Arbeitspunkt errechnet sich der Widerstandswert aus dem Quotienten von Spannung und Strom.

Für genauere Berechnungen oder dem Einsatz der Diode in speziellen Schaltungen ist der differenzielle Widerstand, auch Wechselstromwiderstand genannt, zu verwenden. Er kann grafisch an der Kennlinie durch Anlegen der Tangente an den Arbeitspunkt mithilfe des Steigungsdreiecks ermittelt werden.

Die Diode im Sperrbereich

Diodenkennlinienendiagramm

Ist das Anodenpotenzial negativer als das der Kathode, dann arbeitet die Diode in Sperrrichtung. Der Stromfluss verringert sich bis auf einen minimalen Reststrom, der im Vergleich zur Flussrichtung bis zu 107-fach kleiner ist. Er wird nie zu null, da im Halbleiterkristall immer einige wenige Störstellen freie Ladungsträger bilden. Die p-Zone liefert Elektronen und die n-Zone Defektelektronen oder Löcher als Minoritätsladungsträger. Beide können die Sperrschicht ungehindert passieren und verursachen den Sperrstrom. Bei Temperaturerhöhung ist ein merkliches Ansteigen des Sperrstroms messbar, da Halbleiter zu den Heißleitern gehören.

Verglichen mit Siliziumdioden weisen Germaniumdioden höhere Sperrströme auf. Die maximale Sperrspannung der Germaniumdioden ist niedriger. Leistungsdioden haben höhere Sperrstromwerte, da ihr pn-Übergang eine größere Querschnittsfläche hat. Das Diagramm zeigt den prinzipiellen kompletten Kennlinienverlauf beider Diodentypen.

Dioden sind Bauelemente mit einem pn-Übergang und definierter Duchlass- und Sperrrichtung.
Im Durchlassbetrieb ist das Anodenpotenzial positiver als das der Kathode.
Oberhalb der Schwellspannung wird eine Diode sehr niederohmig und der Maximalstrom ist zu beachten.

Dioden mit hoher Sperrspannung

Zonenaufbau bei psn-/ pin-Dioden

Gleichrichterdioden in der Starkstromtechnik sollen hohe Ströme leiten und gleichzeitig große Spannungen sicher sperren können. Der dazu notwendige hohe Dotierungsgrad vermindert jedoch die maximale Sperrspannung, da diese Halbleiter nur eine schmale Sperrschicht besitzen. Dieser Nachteil wird durch den Einbau einer weiteren Halbleiterschicht aufgehoben.

Zwischen den hoch dotierten p- und n-Halbleitern wird eine schwach dotierte Halbleiterzone eingefügt. Dieser Bereich ist gering p- oder n-dotiert, sehr hochohmig und verbreitert dadurch die Sperrschicht. Im Durchlassbetrieb wird diese Zwischenschicht dann von beiden Seiten mit Ladungsträgern überschwemmt und somit niederohmig. Diese Dioden werden als p-s-n Halbleiter bezeichnet.

Hochspannungsdioden für einige Kilovolt Sperrspannung erhalten zwischen den p- und n-leitenden Kristallen eine breite undotierte Halbleiterzone. Es ist eine eigenleitende Schicht, die als intrinsic oder i-Zone bezeichnet wird. Bei hohen Sperrspannungen dehnt sich die Raumladungszone über die gesamte Breite der i-Zone aus. In Durchlassrichtung wird dieser Bereich wie bei den psn-Dioden von Elektronen und Löchern, den Defektelektronen beidseitig überschwemmt und damit niederohmig.

Wichtige Diodengrenzdaten

Die von den Herstellern in den Datenblättern angegebenen Grenzwerte sind jeder für sich unbedingt einzuhalten. Werden im Betriebszustand einzelne Werte nicht erreicht, so hat das keinen Einfluss auf die anderen Grenzwerte. Bei Nichtbeachtung wird das Bauteil zerstört.

Sperrspannung UR

Bis zu dieser maximalen Gleichspannung bleibt die Diode im Reverse- oder Sperrbetrieb hochohmig. Siliziumdioden lassen Sperrspannungen bis zu 4 kV zu. Bei Germaniumdioden liegt der maximale Wert bei rd. 100 V. Die fast nicht mehr verwendeten Selendioden erreichen nur (25 ... 40) V.

Spitzensperrspannung URM

Der Wert steht für den maximalen periodischen Scheitelwert einer Wechselspannung in Sperrrichtung bei einer Betriebsfrequenz größer 20 Hz.

Durchlassstrom IF und I0

Der Wert gibt den maximal erlaubten Gleich- oder Effektivstrom an, durch den die Diode im Durchlassbereich nicht zerstört wird. Der Richtstrom I0 ist der arithmetische Mittelwert des Durchlassstroms und liegt etwas niedriger.

Maximaler Spitzenstrom IFM

Er wird in Durchlassrichtung für eine Betriebsfrequenz über 20 Hz bei sinusförmiger Belastung angegeben. Dieser Wert gilt auch für Rechtecksignale mit einem Tastverhältnis von 0,5.

Verlustleistung Ptot

Sie ist die maximale Dauerleistung, die den Halbleiter nicht zerstört. Sie errechnet sich aus dem Produkt von der Spannung an der Diode und dem Strom durch die Diode. Siliziumdioden vertragen im Vergleich zu Germaniumdioden die höheren Verlustleistungen.

Sperrschichttemperatur Tj

Auf diese maximale Temperatur darf sich der Halbleiterkristall ohne dauerhaften Schaden erwärmen. Die höchste Gehäusetemperatur des Bauteils liegt niedriger, da die Wärme vom Kristall erst nach außen transportiert werden muss. Siliziumdioden vertragen Kristalltemperaturen um 190 °C. Bei Germaniumhalbleitern liegt der Grenzwert bei 100 °C. Selenhalbleiter vertragen bis zu 80 °C.

Umgebungstemperatur TU

Alle Grenzwerte gelten für eine Umgebungstemperatur von 25 °C, es sei denn, der Wert wird gesondert angegeben.

Wichtige Diodenkennwerte

Werden die folgenden wichtigen Kenndaten nicht beachtet, so kann die Schaltung unerwartete Eigenschaften aufweisen.

Durchlassspannung UF

Die Angabe des Wertes erfolgt bei einem bestimmten Durchlassstrom IF. Die Durchlassspannung entspricht allgemein der Diffusionsspannung des pn-Übergangs im stromlosen Zustand.

Sperrstrom IR

In den Datenblättern wird der Sperrstrom für eine bestimmte Sperrspannung UR angegeben. Siliziumdioden haben die kleinsten Sperrströme. Eine Zehnerpotenz schlechter sind Germaniumdioden. Noch höhere Sperrströme weisen die Selenzellen auf.

Diodenkapazität CD

Sperrt die Diode, so kann die Raumladungszone der Sperrschicht mit dem elektrischen Potenzial eines aufgeladenen Plattenkondensators verglichen werden. Dioden mit einer großen Querschnittfläche am pn-Übergang haben hohe Kapazitätswerte. Ihre Werte liegen zwischen wenigen pF bei Spitzendioden bis zu 500 pF bei speziellen Kapazitätsdioden.

Schaltzeiten tfr und trr

Man unterscheidet zwischen verschiedenen Schaltzeiten. Die Vorwärtserholzeit oder Einschaltzeit tfr ist die Zeit, die benötigt wird, um eine gesperrte Diode vom hochohmigen in den niederohmigen leitenden Zustand zu bringen.

Die Rückwärtserholzeit trr oder Sperrverzögerungszeit gibt an, wie lange es dauert, bis eine leitende Diode in den gesperrten Zustand gelangt. Aus der zuvor mit Elektronen gefluteten pn-Zone müssen erst alle Ladungsträger abgeflossen sein. Erst danach kann sich die Sperrschicht aufbauen. Die hierzu benötigte Zeit wird Ausschaltzeit genannt. In besonderen Fällen ist auch hier die Verlustleistung zu beachten, falls die Diode dabei kurzfristig in den Rückwärtsleitzustand kommt.

Spezielle Schaltdioden zeichnen sich durch besonders kurze Schaltzeiten aus. Die Sperrverzögerungszeit bestimmt die obere Frequenz, bei der die Diode noch erwartungsgemäß arbeitet. Das folgende Diagramm zeigt das Verhalten einer Universaldiode 1N4005 bei zu hoher Betriebsfrequenz. Das Eingangssignal ist einmal eine Sinusspannung und das andere Mal eine Rechteckspannung mit einem Spitzenwert von 15 V bei einer Frequenz von 50 kHz. Die Diode ist als Einweggleichrichter geschaltet und die Ausgangsspannung wird am Lastwiderstand 1 kΩ gemessen.

Sperrverhalten mit Schaltzeitdiagramm

Von (0 ... 10) μs ist das Anodenpotenzial positiver als das der Kathode. Die Diode arbeitet im Durchlassbetrieb und die Ausgangsspannung entspricht der Eingangsspannung. Von (10 ... 20) μs sollte die Diode gesperrt sein und die Ausgangsspannung 0 V betragen. Dieser Zustand wird erst nach 5 μs erreicht. Innerhalb dieser Rückwärtserholzeit fließen die Ladungsträger aus dem pn-Grenzgebiet ab. Danach baut sich die Sperrzone auf und die Diode wird nicht leitend.

Im gelb markierten Bereich kann die zulässige Verlustleistung der Diode sehr schnell überschritten werden. Sie errechnet sich zu Ptot = UR · IR. Bei hoher Sperrspannung UR fließt ein großer Sperrstrom IR, der in den ersten Mikrosekunden dem Wert des Durchlassstroms entspricht.