Diode
Du brauchst die Diode für alle möglichen Ladegeräte, aber auch in der Beleuchtung von Wohnungen wird sie eingesetzt. In diesem Beitrag lernst du die Grundlagen kennen und erhältst einen Überblick der wichtigsten Typen von Dioden. Du kannst mit animierten Videos einfacher lernen? Keine Sorge! Auch zur Diode haben wir ein tolles Video für dich vorbereitet.
Inhaltsübersicht
Was ist eine Diode
Die Diode hat eine wichtige Aufgabe: Sie lässt elektrischen Strom nur in eine Richtung fließen. Du findest für diese Richtung die Bezeichnung Durchlassrichtung. Die umgekehrte Richtung wird dann anschaulich als Sperrrichtung bezeichnet. Die Diode „sperrt“ also den Durchgang von elektrischen Strom in der Sperrrichtung.
Dadurch wird die Diode überall dort eingesetzt, wo nur eine Stromrichtung wünschenswert ist. Ein tägliches Beispiel dafür ist das Ladegerät deines Smartphones. Der Akku deines Smartphones möchte nur eine Stromrichtung, dein Stromnetz liefert aber eine Wechselspannung . Die Diode dient in diesem Fall als sogenannter Gleichrichter.
Dabei funktioniert die Diode wie ein spannungsgesteuerter Widerstand . Das heißt, mit Hilfe von elektrischer Spannung kannst du kontrollieren, ob die Diode einen großen oder kleinen Widerstand darstellt.
Diode Aufbau
Dioden sind Halbleiter -Bauelemente. Das heißt, sie bekommen ihre Eigenschaften daher, dass sie auf geschickte Weise dotiert werden. Schematisch besteht sie aus einer p- und n-dotierten Schicht. Diese beiden dotierten Schichten bilden den p-n-Übergang.
Es gibt aber auch Dioden, die nicht auf einen solchen Halbleiter-Halbleiter-Übergang basieren. Ein Beispiel dafür sind Schottky-Dioden. Mehr dazu findest du weiter unten in unserem Überblick.
Diode Schaltzeichen
Das Schaltzeichen von Dioden besteht aus zwei Bestandteilen: Einem „Dreieck“ (für den p-dotieren Bereich) und einem „Balken“ (für den n-dotierten Bereich). Die Spitze des Dreiecks symbolisiert die technische Stromrichtung. Das Dreieck selber soll die Anode darstellen. Auf dieser Seite musst du also eine positive Spannung anlegen. Der Balken ist die Seite der Kathode. Hier musst du eine negative Spannung anlegen.
Wenn du an der Anode eine positive und an der Kathode eine negative Spannung anlegst, dann hast du die Diode in Durchlassrichtung (im Bild D) gepolt. Mit anderen Worten: Die Diode ist leitend.
Drehst du aber die Polaritäten um, das heißt die Spannung an der Anode ist negativ und an der Kathode positiv, so hast du die Diode in Sperrrichtung (im Bild R) gepolt. In diesem Fall sperrt die Diode.
Diode Funktion
Die Diode ist also im Wesentlichen ein p-n-Übergang. Wenn du den Übergang in Ruhe lässt, beginnen Elektronen von der n-dotierten Seite in Richtung der p-dotierten Seite zu wandern. Umgekehrt wandern Löcher von der p-dotierten Seite zur n-dotierten Seite.
Wenn jetzt ein Elektron und ein Loch aufeinandertreffen, rekombinieren sie. Dadurch verschwinden immer mehr der ursprünglich frei beweglichen Ladungsträger. Schrittweise beginnt sich dadurch, eine Raumladungszone aufzubauen. Diese Raumladungszone hindert die freien Ladungsträger daran, weiter hin- und herzuwandern, und bricht daher den Rekombinations-Prozess ab.
Wenn du nun an der p-dotierten Seite eine positive Spannung und an der n-dotierten Seite eine negative Spannung anlegst, „drückst“ du die Raumladungszone zusammen. Sie wird also kleiner. Dadurch können Elektronen von der n-dotierten Seite wieder zur p-dotierten Seite übergehen und werden dort dann vom Pluspol angezogen. Die Diode ist leitend.
Schließt du aber an der p-dotierten Seite eine negative Spannung und an der n-dotierten Seite eine positive Spannung an, so machst du die Raumladungszone größer. Die Diode sperrt.
Im Bild ist die Raumladungszone grau dargestellt. Die blaue Kugel stellt ein Elektron, die rote Kugel ein Loch dar. Die negativen bzw. positiven Vorzeichen deuten auf die elektrische Ladung innerhalb der Raumladungszone hin.
Diode Kennlinie
Diese fundamentale Eigenschaft von Dioden, dass sie eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung besitzt, lässt sich sehr gut an einer typischen Kennlinie erkennen.
Bei einer solchen Kennlinie wird der Strom durch die Diode in Abhängigkeit der Spannung an der Diode dargestellt. Das Diagramm kann in drei Teile unterteilt werden: Dem Durchlassbereich, dem Sperrbereich und dem Durchbruchbereich.
Diode Kenngrößen
Die Spannung, ab Dioden als „leitend“ bezeichnet werden, besitzt unterschiedliche Bezeichnungen. Häufig findest du dafür Durchlassspannung, Flussspannung oder Schwellenspannung. Die entsprechende Abkürzung ist 
oder 
. Die Schwellspannung gehört zu den wichtigsten Kenngrößen von Dioden. Bei Silizium beträgt sie in etwa 0,7 V und bei Germanium etwa 0,3 V.
Eine weitere wichtige Kenngröße ist die Durchbruchspannung 
. Das ist die Spannung bis zu der du Dioden in Sperrrichtung verwenden kannst. Überschreitest du aber diese Spannung, so riskierst du, das Bauteil zu zerstören. Manchmal wird die Durchbruchspannung nur mit 
abgekürzt. Du solltest das aber nicht mit der Sperrspannung, also der Spannung an Dioden in Sperrrichtung, verwechseln.
In der folgenden Tabelle findest du ein paar weitere Kenngrößen und ihre Bedeutungen:
| Abkürzung Kenngröße | Bedeutung Kenngröße |
 |
Spannung an Dioden |
 |
Strom durch Dioden |
 oder 
|
Strom durch Dioden in Durchlassrichtung (auch Diffusionsstrom) |
 oder 
|
Strom durch Dioden in Sperrrichtung (auch Leckstrom) |
 |
Strom durch Dioden nach Erreichen der Durchbruchspannung (auch Durchbruchstrom) |
Übersicht Dioden-Typen
In diesem Abschnitt geben wir dir einen kurzen Überblick der wichtigsten Dioden-Typen. Zu jedem Typ findest du auch das entsprechende Schaltzeichen.
Schottky-Dioden
Die Besonderheit bei der Schottky-Diode liegt in ihrem Aufbau. Statt einen Halbleiter-Halbleiter-Übergang hast du einen Metall-Halbleiter-Übergang. Sie bietet gegenüber der „normalen“ p-n-Diode zwei Vorteile: Die Durchlassspannung ist geringer (sie beträgt in etwa 0,4 V und kann bis zu 0,1 V klein sein) und sie „schaltet schneller“.
Was bedeutet es genau, dass „schneller geschaltet“ werden kann? Wenn du von der Durchlass- in die Sperrrichtung wechselt, dann braucht die Diode eine gewisse Zeit, um den elektrischen Strom tatsächlich zu blockieren. In dieser Zeit fließt, obwohl du dich im Sperrbereich befindest, ein nennenswerter Strom. Und genau diese Schaltzeit ist bei der Schottky-Diode wesentlich geringer. Die Schaltzeit kann dabei um den Faktor 10 bis hin zu 10.000 geringer sein.
Das Schaltzeichen der Schottky-Diode unterscheidet sich nur im „Balken“ an der Spitze des „Dreiecks“. Statt einem geraden Strich, hast du eine Art langgezogenes „S“.
Zener-Dioden (z Dioden)
Zener-Dioden sind dadurch charakterisiert, dass sie ständig in Sperrrichtung betrieben werden. Die wichtigste Kenngröße ist hier die Durchbruchspannung . Sie wird also im Bereich der Durchbruchspannung verwendet.
Beim Schaltzeichen hast du statt einem geraden Strich, ein umgedrehtes „L“ an der Spitze des „Dreiecks“. Mehr dazu erfährst du in unserem Beitrag hier.
Leuchtdioden (LED)
Die Leuchtdiode oder kürzer LED hat einen identischen Aufbau zur p-n-Diode. Der Unterschied besteht nur im verwendeten Halbleitermaterial. Bei einer LED werden sogenannte direkte Halbleiter verwendet. Dadurch kann bei der Rekombination von Elektronen mit Löchern Licht einer Wellenlänge ausgestrahlt werden, das für uns Menschen sichtbar ist.
Das Schaltzeichen ist wieder eine Kombination aus einem „Dreieck“ und einem „Balken“. Um deutlich zu machen, dass es sich um eine LED handelt, werden zwei kleine Pfeile hinzugefügt, die das ausgestrahlte Licht darstellen sollen.
Photodioden
Die Photodiode ist in gewisser Weise eine „Umkehrung“ der LED. Statt Licht zu produzieren, wird durch den sogenannten inneren Photoeffekt auftreffendes Licht in elektrischen Strom umgewandelt. „Licht“ hat hier mehrere Bedeutung: Es kann sich dabei um das für uns sichtbare Licht handeln, aber auch um infrarote oder ultraviolette Strahlung .
Das Schaltzeichen sieht wie das Schaltzeichen der LED aus. Nur die zwei Pfeile zeigen in Richtung des Bauelements. Das soll andeuten, dass Licht von außen auf das Bauelement scheinen soll.
Laser-Dioden (Halbleiterlaser)
Die Laserdiode (auch Halbleiterlaser bezeichnet) funktioniert im Prinzip wie die LED. Ein Halbleiterlaser erzeugt aber kein Licht, sondern Laserstrahlung. Die Strahlung selber entsteht wie bei der LED durch Rekombination. Nun wird durch sogenanntes elektrisches Pumpen die Strahlung immer stärker und gerichteter; es entsteht Laserstrahlung.