Wie groß ist die Flussspannung einer Silizium-Diode?

Eine Silizium-PN-Diode hat bei üblichen Strömen etwa 0,6 bis 0,7 V Spannungsfall. Das ist keine harte Schwelle: Der Strom steigt nach der Shockley-Gleichung exponentiell mit der Spannung, bei sehr kleinen Strömen ist der Spannungsfall geringer, bei hohen größer. Die Kennlinie im Simulator zeigt diesen Knick.

Was passiert mit einer Diode in Sperrrichtung?

In Sperrrichtung weitet sich die Raumladungszone auf, und es fließt nur ein winziger Sperrsättigungsstrom (Leckstrom) ab einigen Nanoampere, der mit der Temperatur steigt. Erreicht die Sperrspannung die Durchbruchspannung, steigt der Strom stark an; eine normale Gleichrichterdiode kann dabei zerstört werden, eine Zener-Diode ist für diesen Betrieb ausgelegt.

Was ist der Idealitätsfaktor einer Diode?

Der Idealitätsfaktor n steht in der Shockley-Gleichung I = Is × (e^(U / (n × UT)) − 1). Er liegt nahe 1, wenn der Diffusionsstrom dominiert, und bis etwa 2, wenn die Rekombination in der Raumladungszone überwiegt. Ein größeres n macht den Knick der Kennlinie weicher; ändern Sie ihn im Simulator, um die Wirkung zu sehen.

P–N-Diode: Simulator und I–V-Kennlinie

Was ist eine PN-Diode?

Funktionsprinzip

Eine Diode entsteht dort, wo p- und n-dotierter Halbleiter aufeinandertreffen. Am Übergang rekombinieren Elektronen und Löcher und hinterlassen eine Raumladungszone mit einem inneren elektrischen Feld, der Diffusionsspannung. Dieses Feld macht das Bauteil einseitig durchlässig: Es wirkt der weiteren Diffusion der Ladungsträger entgegen, sodass Strom in einer Richtung leicht fließt und in der anderen gesperrt wird. Die p-Seite ist die Anode, die n-Seite die Kathode.

Fluss- und Sperrrichtung

Wird die Anode positiv angeschlossen, verengt sich die Raumladungszone, und sobald die angelegte Spannung die Flussspannung übersteigt — rund 0,7 V bei Silizium, 0,3 V bei Germanium —, leitet die Diode, wobei der Strom bei winzigen weiteren Spannungserhöhungen exponentiell ansteigt. In Sperrrichtung weitet sich die Zone, und es fließt nur ein sehr kleiner Sperrstrom. Wird die Sperrspannung groß genug, bricht der Übergang durch: Bei einem gewöhnlichen Gleichrichter ist das zerstörend, eine Z-Diode ist für genau diesen Betrieb ausgelegt.

Die Kennlinie

Die I-U-Kennlinie einer Diode ist ausgeprägt nichtlinear, und genau das macht sie nützlich. Die Shockley-Gleichung beschreibt sie: Der Strom hängt exponentiell von der Sperrschichtspannung ab, mit dem Sättigungsstrom und der temperaturabhängigen Temperaturspannung als Konstanten. Praktische Folge ist, dass eine leitende Diode über einen weiten Strombereich eine nahezu konstante Spannung hält — sie muss deshalb stets über ein strombegrenzendes Element betrieben und niemals direkt an eine Spannungsquelle gelegt werden.

Einsatzgebiete

Dioden gleichen Wechsel- in Gleichspannung gleich — als Einweg-, Zweiweg- und Brückenschaltung am Eingang nahezu jedes Netzteils. Sie begrenzen induktive Spannungsspitzen an Relaisspulen und Motorwicklungen, schützen Schaltungen gegen Verpolung und bilden Begrenzer- und Klemmschaltungen im Signalweg. Nahe Verwandte erweitern das Prinzip: Schottky-Dioden für geringe Flussspannung und schnelle Erholung, Z-Dioden als Spannungsreferenz und LEDs zur Lichterzeugung.

Häufig gestellte Fragen

Wie groß ist die Flussspannung einer Silizium-Diode?: Eine Silizium-PN-Diode hat bei üblichen Strömen etwa 0,6 bis 0,7 V Spannungsfall. Das ist keine harte Schwelle: Der Strom steigt nach der Shockley-Gleichung exponentiell mit der Spannung, bei sehr kleinen Strömen ist der Spannungsfall geringer, bei hohen größer. Die Kennlinie im Simulator zeigt diesen Knick.
Was passiert mit einer Diode in Sperrrichtung?: In Sperrrichtung weitet sich die Raumladungszone auf, und es fließt nur ein winziger Sperrsättigungsstrom (Leckstrom) ab einigen Nanoampere, der mit der Temperatur steigt. Erreicht die Sperrspannung die Durchbruchspannung, steigt der Strom stark an; eine normale Gleichrichterdiode kann dabei zerstört werden, eine Zener-Diode ist für diesen Betrieb ausgelegt.
Was ist der Idealitätsfaktor einer Diode?: Der Idealitätsfaktor n steht in der Shockley-Gleichung I = Is × (e^(U / (n × UT)) − 1). Er liegt nahe 1, wenn der Diffusionsstrom dominiert, und bis etwa 2, wenn die Rekombination in der Raumladungszone überwiegt. Ein größeres n macht den Knick der Kennlinie weicher; ändern Sie ihn im Simulator, um die Wirkung zu sehen.

Diode mit P-N-Übergang

Dioden-I–V-Eigenschaften