Halbleiterdioden und ihre Eigenschaften
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.
Kennliniendiagramme
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.
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
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
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 haben 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.