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Diode

Skripte
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Einführung

Dioden sind in vielen elektrischen Geräten verbaut. Die bekannteste Diode ist die Leuchtdiode oder LED. Es ist eine spezielle Diode, die Licht erzeugt. Dioden haben allerdings noch viele weitere Eigenschaften, die du nutzen kannst. Sogar in Solarzellen sind Dioden verbaut.

Funktionsweise

Eine Diode ist ein elektrisches Bauteil. Man kann eine Diode auf zwei verschiedene Arten anschließen. In Durchlassrichtung:
Elektrizität: Diode
Abb. 1: Diode in Durchlassrichtung
Elektrizität: Diode
Abb. 1: Diode in Durchlassrichtung
Und in Sperrrichtung. Wobei man die Spannung bei der Sperrrichtung einfach umpolen muss.
Ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet, stellt sie praktisch keinen elektrischen Widerstand dar. Der Strom kann ungehindert fließen.
Ist die Diode dagegen in Sperrrichtung geschaltet, so ist der Widerstand sehr hoch und es fließt praktisch kein Strom mehr.

Aufbau

Diode sind aus Elementen der 4. Hauptgruppe des Periodensystems aufgebaut. Diese Elemente werden auch Halbleiter genannt. Meistens wird Silicium verwendet. Siliciumatome haben 4 Valenzelektronen, die Doppelbindungen mit benachbarten Atomen eingehen. Dadurch sind die Elektronen fest im Gitter verankert und es stehen keine freien Ladungsträger zur Verfügung. Das heißt, das Halbleiter bei Raumtemperatur Isolatoren sind.
Elektrizität: Diode
Abb. 2: Siliciumgitter
Elektrizität: Diode
Abb. 2: Siliciumgitter
Eine Diode besteht aus zwei Schichten dieser Halbleiter. Allerdings wird eine Schicht n- und die andere p-dotiert. Das heißt es werden Atome aus der 5. bzw. der 3. Hauptgruppe des Periodensystems in das Gitter eingesetzt:
Elektrizität: Diode
Abb. 3: n-dotiertes Siliciumgitter mit Phosphor
Elektrizität: Diode
Abb. 3: n-dotiertes Siliciumgitter mit Phosphor
In ein n-dotiertes Gitter werden Atome der 5. Hauptgruppe eingesetzt. Dadurch sind Elektronen vorhanden, die keine Doppelbindung eingehen. Jetzt stehen freie Ladungsträger zur Verfügung, sodass ein Strom fließen kann.
Elektrizität: Diode
Abb. 4: p-dotiertes Siliciumgitter mit Aluminium
Elektrizität: Diode
Abb. 4: p-dotiertes Siliciumgitter mit Aluminium
Durch das Einsetzen von Atomen der 3. Hauptgruppe wird das Gitter p-dotiert. Es entstehen sogenannte „Löcher“ im Gitter. Hier können jetzt auch Ladungsträger fließen.
Für die Diode werden zwei Schichten aneinander gelegt. Die „freien“ Elektronen des n-dotierten Teils fließen in die „Löcher“ des p-dotierten Teils. Dadurch sind die Schichten nicht mehr elektrisch neutral und es bildet sich ein elektrisches Feld.
Elektrizität: Diode
Abb. 5: Grenzschicht einer Diode
Elektrizität: Diode
Abb. 5: Grenzschicht einer Diode
Durch das E-Feld entsteht eine Sperrschicht. Durch diese Sperrschicht fließt keine Ladung.
Wird jetzt eine positive Spannung an den n-dotierten Teil und eine negative Spannung an den p-dotierten Teil angelegt, vergrößert sich das E-Feld und somit auch die Sperrschicht. Die Diode ist in Sperrrichtung geschaltet und es fließt kein Strom.
Wird hingegen die negative Spannnung an den n-dotierten Teil und die postive Spannung an den p-dotierten Teil angelegt, wird das E-Feld aufgehoben und die Sperrrzone verschwindet. Jetzt kann ein Strom fließen.

Spezielle Dioden

Wie bereits erwähnt gibt es auch Dioden in Solarzellen. Diese Dioden sind sehr lichtempfindlich. Sie werden in Sperrrichtung an eine Spannung angelegt. Trifft Sonnenlicht auf die Sperrzone, wird es dort absorbiert und es können Elektronen gelöst werden, die als Energie nutzbar sind.
Bei der LED funktioniert es umgekehrt. Durch das Anlegen einer Spannung wird Licht emmitiert. Auch hier muss die Diode richtig angeschlossen sein. Wird Plus- und Minuspol vertauscht, kann die Diode zerstört werden.
Bildnachweise [nach oben]
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