Diode - Physik

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Physik, Klasse 7-8, G-Niveau

Einleitung

Eine Diode ist ein elektronisches Bauteil, das elektrischen Strom hauptsächlich in einer Richtung durchlässt und in der entgegengesetzten Richtung sperrt. Du kannst sie dir vereinfacht wie ein elektrisches Rückschlagventil vorstellen. Dioden befinden sich unter anderem in Netzteilen, Ladegeräten, Solaranlagen, Leuchten, Radios und Schutzschaltungen.

In diesem aiMOOC lernst Du den Aufbau einer Halbleiterdiode, das Schaltzeichen, Durchlass- und Sperrrichtung, die Kennlinie sowie wichtige Anwendungen kennen. Dazu gehören der Gleichrichter, die Leuchtdiode, die Fotodiode und die Z-Diode.

Sicherheit: Führe Schulversuche nur mit ungefährlicher Kleinspannung durch. Arbeite niemals direkt an der Netzspannung.

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Schaltzeichen und Anschlüsse

Eine Diode besitzt zwei Anschlüsse:

1. Anode: Anschluss auf der p-dotierten Seite
2. Kathode: Anschluss auf der n-dotierten Seite

Im Schaltzeichen kennzeichnet der senkrechte Strich die Kathode. Bei vielen stabförmigen Dioden markiert ein Ring am Gehäuse ebenfalls die Kathode. Bei Bauteilen können Ausnahmen auftreten, deshalb ist im Zweifel das Datenblatt maßgeblich.

In technischer Stromrichtung fließt der Strom bei leitender Diode von der Anode zur Kathode. Die Elektronen bewegen sich dabei im äußeren Stromkreis in die entgegengesetzte Richtung.

Aufbau der Halbleiterdiode

Die häufige Siliziumdiode besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterbereichen:

1. p-Dotierung: Bewegliche Löcher sind die Mehrheitsträger.
2. n-Dotierung: Bewegliche Elektronen sind die Mehrheitsträger.

An der Grenze entsteht der p-n-Übergang. Elektronen und Löcher diffundieren über die Grenze und rekombinieren. Dadurch bildet sich eine Zone mit wenigen beweglichen Ladungsträgern. Sie heißt Raumladungszone oder Sperrschicht. Das elektrische Feld dieser Zone wirkt einer weiteren Diffusion entgegen.

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Durchlassrichtung und Sperrrichtung

Durchlassrichtung

Die Diode ist in Durchlassrichtung gepolt, wenn die Anode am höheren und die Kathode am niedrigeren elektrischen Potenzial liegt. Die äußere Spannung schwächt das elektrische Feld der Sperrschicht. Die Raumladungszone wird schmaler und es kann ein deutlicher Strom fließen.

Bei einer Siliziumdiode steigt der Strom häufig ab ungefähr 0,6 bis 0,7 Volt stark an. Dieser Wert ist keine vollkommen feste Grenze: Er hängt unter anderem vom Strom, von der Temperatur und vom Diodentyp ab.

Sperrrichtung

In Sperrrichtung liegt die Kathode am höheren Potenzial. Die äußere Spannung verstärkt das Feld der Sperrschicht. Die Raumladungszone wird breiter und es fließt nur ein sehr kleiner Sperrstrom.

Wird die zulässige Sperrspannung überschritten, kommt es zum Durchbruch. Eine gewöhnliche Diode kann dabei durch zu große Verlustleistung beschädigt werden. Z-Dioden sind dagegen für einen kontrollierten Betrieb in einem festgelegten Durchbruchbereich konstruiert.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie

Die Kennlinie zeigt, wie der Diodenstrom $I_{\mathrm{D}}$ von der Diodenspannung $U_{\mathrm{D}}$ abhängt.

1. Im Durchlassbereich steigt der Strom nach einem zunächst kleinen Verlauf sehr stark an.
2. Im Sperrbereich bleibt der Strom zunächst sehr klein.
3. Beim Durchbruch wächst der Sperrstrom stark.

Das einfache Schulmodell behandelt die Diode als Schalter: In Durchlassrichtung ist sie geschlossen, in Sperrrichtung geöffnet. Eine reale Diode besitzt jedoch eine Durchlassspannung und einen endlichen Widerstand.

Für eine vertiefte Beschreibung kann die Shockley-Gleichung verwendet werden:

$I_{\mathrm{D}}=I_{\mathrm{S}}({\mathrm{e}}^{\frac{U_{\mathrm{D}}}{n{U}_{\mathrm{T}}}}-1)$

Dabei ist $I_{\mathrm{S}}$ der Sperrsättigungsstrom, $U_{\mathrm{T}}$ die Temperaturspannung und $n$ ein Korrekturfaktor. Für viele Schulaufgaben genügt das vereinfachte Modell.

Gleichrichtung von Wechselspannung

Wechselspannung ändert regelmäßig ihre Polarität. Eine Diode lässt nur eine passende Halbwelle passieren. Dadurch entsteht eine pulsierende Gleichspannung.

Einweggleichrichter

Ein Einweggleichrichter besteht im einfachsten Fall aus einer Diode und einem Verbraucher. Eine Halbwelle wird durchgelassen, die andere gesperrt. Die Schaltung ist einfach, nutzt aber nur einen Teil der Wechselspannung.

Brückengleichrichter

Ein Brückengleichrichter verwendet vier Dioden. Bei beiden Halbwellen fließt der Strom durch den Verbraucher in derselben Richtung. Dadurch wird die Wechselspannung besser ausgenutzt.

Glättung

Die gleichgerichtete Spannung schwankt noch. Ein parallel zum Verbraucher geschalteter Kondensator kann sich an den Spannungsspitzen aufladen und zwischen ihnen teilweise entladen. So wird die Ausgangsspannung geglättet. Eine Restwelligkeit bleibt bestehen.

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Leuchtdiode und Vorwiderstand

Eine Leuchtdiode oder LED sendet Licht aus, wenn sie in Durchlassrichtung betrieben wird. Die Lichtfarbe hängt vom verwendeten Halbleitermaterial ab. Eine LED darf normalerweise nicht ohne Strombegrenzung direkt an eine Spannungsquelle angeschlossen werden.

Der Vorwiderstand kann näherungsweise berechnet werden:

$R_{\mathrm{V}}=\frac{U_{\mathrm{Q}}-U_{\mathrm{D}}}{I}$

Dabei ist $U_{\mathrm{Q}}$ die Quellspannung, $U_{\mathrm{D}}$ die Durchlassspannung der LED und $I$ der gewünschte Strom.

Beispiel: Eine rote LED mit $U_{\mathrm{D}}=\mathrm{2,0}\mathrm{V}$ soll an $U_{\mathrm{Q}}=\mathrm{9,0}\mathrm{V}$ mit $I=15\mathrm{m}\mathrm{A}$ betrieben werden.

$R_{\mathrm{V}}=\frac{\mathrm{9,0}\mathrm{V}-\mathrm{2,0}\mathrm{V}}{\mathrm{0,015}\mathrm{A}}\approx 467\Omega$

Als gebräuchlicher Wert kann $470\Omega$ gewählt werden. Zusätzlich muss geprüft werden, ob die Belastbarkeit des Widerstands ausreicht.

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Weitere Diodenarten und verwandte Bauelemente

1. Z-Diode: Stabilisiert oder begrenzt Spannungen im vorgesehenen Durchbruchbereich.
2. Fotodiode: Wandelt einfallendes Licht in ein elektrisches Signal um.
3. Schottky-Diode: Besitzt meist eine kleinere Durchlassspannung und schaltet schnell.
4. Laserdiode: Erzeugt gebündeltes Licht und wird unter anderem in Datenübertragung und Messtechnik eingesetzt.
5. Solarzelle: Nutzt einen großflächigen p-n-Übergang, um Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Grundfunktion besitzt eine gewöhnliche Diode? (Sie leitet hauptsächlich in einer Richtung) (!Sie speichert dauerhaft elektrische Ladung) (!Sie verstärkt jede elektrische Spannung) (!Sie erzeugt ohne Energiequelle Wechselstrom)

Welcher Teil des Diodenschaltzeichens kennzeichnet die Kathode? (Der senkrechte Strich) (!Der Kreis um das Symbol) (!Der gebogene Pfeil) (!Die wellenförmige Linie)

Wann ist eine Diode in Durchlassrichtung gepolt? (Die Anode liegt auf höherem Potenzial als die Kathode) (!Die Kathode liegt immer ohne Spannung) (!Beide Anschlüsse sind dauerhaft kurzgeschlossen) (!Die Anode ist grundsätzlich negativ gegenüber der Kathode)

Wie heißt die Zone mit wenigen beweglichen Ladungsträgern am p-n-Übergang? (Raumladungszone) (!Heizwendel) (!Magnetkern) (!Resonanzkammer)

Was stellt die Diodenkennlinie dar? (Den Zusammenhang zwischen Diodenspannung und Diodenstrom) (!Den Zusammenhang zwischen Masse und Geschwindigkeit) (!Die Farbe des Gehäuses in Abhängigkeit von der Zeit) (!Die Länge des Anschlussdrahts in Abhängigkeit von der Temperatur)

Was entsteht am Ausgang eines einfachen Einweggleichrichters? (Eine pulsierende Gleichspannung) (!Eine unveränderte sinusförmige Wechselspannung) (!Eine mechanische Drehbewegung) (!Eine dauerhaft spannungsfreie Leitung)

Wie viele Dioden besitzt ein üblicher einphasiger Brückengleichrichter? (Vier) (!Eine) (!Zwei) (!Acht)

Welche Aufgabe übernimmt ein Glättungskondensator hinter einem Gleichrichter? (Er verringert die Spannungsschwankungen) (!Er kehrt die Polung der Diode um) (!Er erzeugt sichtbares Licht) (!Er trennt Anode und Kathode mechanisch)

Warum benötigt eine LED meist einen Vorwiderstand? (Er begrenzt den Strom) (!Er macht aus Licht Schall) (!Er erhöht die Netzfrequenz) (!Er entfernt die Kathodenmarkierung)

Wofür ist eine Z-Diode besonders ausgelegt? (Für den kontrollierten Betrieb im Durchbruchbereich) (!Für das Speichern magnetischer Energie) (!Für die Erzeugung von Wechselspannung ohne Quelle) (!Für die Messung mechanischer Länge)

Memory

Anode	p-dotierter Anschluss
Kathode	n-dotierter Anschluss
Durchlassrichtung	Diode leitet
Sperrrichtung	Diode blockiert weitgehend
Brückengleichrichter	Schaltung aus vier Dioden
Vorwiderstand	begrenzt den LED-Strom

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Anode	Anschluss der p-Seite
Kathode	Anschluss der n-Seite
Raumladungszone	Bereich mit wenigen beweglichen Ladungsträgern
Durchlassrichtung	stark leitender Betriebsfall
Sperrrichtung	weitgehend blockierender Betriebsfall
Kennlinie	Zusammenhang von Spannung und Strom

Kreuzworträtsel

Anode	Wie heißt der Anschluss auf der p-dotierten Seite?
Kathode	Welcher Anschluss wird im Schaltzeichen durch den Strich markiert?
Halbleiter	Aus welcher Stoffklasse bestehen moderne Dioden meist?
Gleichrichter	Welche Schaltung wandelt Wechselspannung in pulsierende Gleichspannung um?
Sperrschicht	Wie heißt die ladungsträgerarme Zone am p-n-Übergang?
Kennlinie	Welches Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen Spannung und Strom?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Eine Diode lässt elektrischen Strom hauptsächlich in einer fließen.

Der p-dotierte Anschluss heißt .

Der n-dotierte Anschluss heißt .

Am p-n-Übergang entsteht eine .

In Durchlassrichtung wird die Sperrschicht .

In Sperrrichtung fließt nur ein sehr kleiner .

Vier Dioden bilden einen .

Bei einer LED begrenzt ein den Strom.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Dioden im Alltag: Suche fünf Geräte, in denen Dioden eingesetzt werden könnten, und begründe Deine Vermutung.
2. Schaltzeichen zeichnen: Zeichne das Diodenschaltzeichen und beschrifte Anode, Kathode, Durchlassrichtung und Sperrrichtung.
3. Bauteil untersuchen: Fotografiere eine Diode aus einer Schulsammlung und markiere die Kathodenkennzeichnung.
4. Erklärkarte: Gestalte eine Lernkarte, die den Vergleich zwischen Diode und Rückschlagventil erklärt.

Standard

1. LED-Schaltung: Baue mit Kleinspannung eine LED-Schaltung mit Vorwiderstand auf und dokumentiere Polung und Beobachtung.
2. Kennlinie messen: Miss Strom und Spannung einer Diode für mehrere Spannungswerte und zeichne eine Kennlinie.
3. Einweggleichrichtung: Untersuche mit einer sicheren Wechselspannungsquelle einen Einweggleichrichter und beschreibe das Ausgangssignal.
4. Medienanalyse: Vergleiche zwei Erklärvideos zur Diode hinsichtlich Fachsprache, Modellvorstellungen und Verständlichkeit.

Schwer

1. Brückengleichrichter bauen: Plane und baue einen Brückengleichrichter mit vier Dioden und überprüfe die Ausgangspolarität.
2. Glättung untersuchen: Vergleiche die Ausgangsspannung eines Gleichrichters mit und ohne Glättungskondensator.
3. Temperaturabhängigkeit: Entwickle einen Versuch, mit dem Du den Einfluss der Temperatur auf die Durchlassspannung untersuchst.
4. Diodenarten vergleichen: Erstelle eine fachlich begründete Vergleichstabelle zu Gleichrichterdiode, LED, Fotodiode, Schottky-Diode und Z-Diode.

Lernkontrolle

1. Modellkritik Diode: Erkläre, warum das Modell eines idealen Schalters nützlich ist, aber das Verhalten einer realen Diode nicht vollständig beschreibt.
2. Fehlersuche LED: Eine LED leuchtet trotz angeschlossener Batterie nicht. Entwickle eine systematische Fehlersuche und begründe jeden Prüfschritt.
3. Kennlinie auswerten: Beschreibe anhand einer vorgegebenen Kennlinie, in welchen Bereichen die Diode sperrt, leitet oder durchbricht.
4. Gleichrichter vergleichen: Vergleiche Einweg- und Brückengleichrichter hinsichtlich Bauteilzahl, Nutzung der Halbwellen und Ausgangssignal.
5. Vorwiderstand übertragen: Berechne für eine selbst gewählte Quellspannung und LED einen geeigneten Vorwiderstand und begründe die Wahl eines Normwertes.
6. Technikanwendung beurteilen: Wähle eine Anwendung aus Haushalt oder Verkehr und erkläre, welche Diodenfunktion dort benötigt wird.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. das Schaltzeichen zeichnen und Anode sowie Kathode benennen kannst,
2. Durchlass- und Sperrrichtung fachlich erklärst,
3. den p-n-Übergang und die Raumladungszone in einem Modell beschreibst,
4. eine Diodenkennlinie auswertest,
5. Einweg- und Brückengleichrichtung vergleichst,
6. einen LED-Vorwiderstand mit $R_{\mathrm{V}}=\frac{U_{\mathrm{Q}}-U_{\mathrm{D}}}{I}$ berechnest,
7. Versuchsergebnisse dokumentierst und Sicherheitsregeln für Kleinspannung beachtest.

Verknüpfte Lernbereiche

Diode - Physik Halbleiter p-n-Übergang Elektrischer Strom Elektrische Spannung Kennlinie Gleichrichter Leuchtdiode Fotodiode Z-Diode Kondensator