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Diode

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Diode

Eine Diode ist ein elektronisches Bauelement, das elektrischen Strom hauptsächlich in eine Richtung passieren lässt und ihn in der Gegenrichtung weitgehend sperrt. Diese Eigenschaft macht Dioden zu grundlegenden Bauteilen der Elektronik. Sie werden zum Beispiel in Netzteilen, Ladegeräten, Schutzschaltungen, Leuchtdioden und Signalverarbeitungen eingesetzt.

Dieser aiMOOC richtet sich besonders an Lernende der Sekundarstufe II sowie an Auszubildende in Elektro-, Informations- und Metallberufen. Du lernst die Grundidee der Diode, den p-n-Übergang, Durchlass- und Sperrrichtung, die Kennlinie sowie wichtige Diodentypen und Anwendungen kennen.

Einleitung

Dioden gehören zu den wichtigsten Halbleiterbauelementen. Eine typische Halbleiterdiode besteht aus einem p-dotierten und einem n-dotierten Bereich. An der Grenze beider Bereiche entsteht ein p-n-Übergang. Sein elektrisches Verhalten sorgt dafür, dass Strom in einer Richtung gut und in der entgegengesetzten Richtung nur sehr schwach fließen kann.

Im Schaltplan wird eine normale Diode mit einem eigenen Schaltzeichen dargestellt. Die beiden Anschlüsse heißen Anode und Kathode.

Aufbau einer Halbleiterdiode

Für viele Dioden wird Silizium als Halbleitermaterial verwendet. Reines Silizium leitet elektrischen Strom nur begrenzt. Durch gezieltes Einbringen kleiner Mengen anderer Atome, die sogenannte Dotierung, kann seine Leitfähigkeit verändert werden.

Beim n-dotierten Halbleiter stehen zusätzliche bewegliche Elektronen zur Verfügung. Beim p-dotierten Halbleiter fehlen an bestimmten Bindungsstellen Elektronen. Diese Fehlstellen werden als Löcher bezeichnet und können sich im Modell wie positive Ladungsträger bewegen.

Werden p- und n-dotiertes Material miteinander verbunden, diffundieren Ladungsträger über die Grenzfläche. Dabei entsteht eine Zone mit wenigen frei beweglichen Ladungsträgern. Diese Zone wird Raumladungszone oder Sperrschicht genannt. Das dabei entstehende elektrische Feld wirkt einer weiteren Diffusion entgegen.

Durchlassrichtung

Eine Diode befindet sich in Durchlassrichtung, wenn die Anode gegenüber der Kathode positiv ist. Das äußere elektrische Feld schwächt dann die Wirkung der Sperrschicht. Ab einer ausreichend großen Vorwärtsspannung kann ein deutlich messbarer Strom fließen.

Bei einer gewöhnlichen Siliziumdiode wird häufig mit einer vereinfachten Durchlassspannung von etwa 0,6 bis 0,7 Volt gerechnet. Dieser Wert ist jedoch keine harte Grenze. Die reale Strom-Spannungs-Kennlinie verläuft stetig und nicht sprunghaft.

Sperrrichtung

Wird die Diode umgekehrt gepolt, befindet sie sich in Sperrrichtung. Die Sperrschicht wird breiter und der Stromfluss wird stark unterdrückt. Es fließt nur ein sehr kleiner Sperrstrom.

Wird die zulässige Sperrspannung überschritten, kann es zum elektrischen Durchbruch kommen. Bei normalen Dioden kann dieser Zustand das Bauteil beschädigen. Bei Z-Dioden wird ein definierter Durchbruch dagegen gezielt genutzt.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie

Die Kennlinie zeigt den Zusammenhang zwischen der Spannung an der Diode und dem Strom durch die Diode. Im Durchlassbereich steigt der Strom bei zunehmender Vorwärtsspannung stark an. Im Sperrbereich bleibt der Strom zunächst sehr klein.

Für einfache Schaltungsrechnungen wird eine Siliziumdiode oft durch ein vereinfachtes Modell beschrieben:

Durchlassrichtung: Die Diode leitet, wenn die Vorwärtsspannung ausreichend groß ist.
Durchlassspannung: Für grobe Rechnungen werden bei Silizium häufig etwa 0,7 V angesetzt.
Sperrrichtung: Die Diode wird näherungsweise als nichtleitend behandelt.

Dieses Modell ist für viele schulische Aufgaben ausreichend. In präzisen technischen Berechnungen muss die reale Kennlinie berücksichtigt werden.

Ideale und reale Diode

Eine ideale Diode wäre in Durchlassrichtung ein perfekter Leiter ohne Spannungsabfall und in Sperrrichtung ein perfekter Isolator. Eine reale Diode weicht davon ab.

Eine reale Diode besitzt unter anderem eine Vorwärtsspannung, einen kleinen Sperrstrom, eine maximale Strombelastbarkeit und eine maximale Sperrspannung. Außerdem hängt ihr Verhalten von der Temperatur und vom konkreten Diodentyp ab.

Gleichrichtung

Eine besonders wichtige Anwendung ist die Gleichrichtung. Dabei wird aus einer Wechselspannung eine Spannung mit gleichbleibender Polarität erzeugt.

Eine einzelne Diode kann als Einweggleichrichter verwendet werden. Sie lässt nur eine Halbwelle der Wechselspannung zur Last durch. Mit vier Dioden kann ein Brückengleichrichter aufgebaut werden. Dabei werden beide Halbwellen genutzt.

Bei einem Brückengleichrichter liegen im leitenden Strompfad jeweils zwei Dioden in Reihe. Deshalb muss der Spannungsabfall an beiden Dioden berücksichtigt werden.

Wichtige Diodentypen

Es gibt viele Diodenarten, die für unterschiedliche Aufgaben optimiert sind.

Gleichrichterdiode: Sie ist für die Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung ausgelegt.
Schaltdiode: Sie kann elektrische Signale schnell schalten.
Schottky-Diode: Sie besitzt meist eine kleinere Vorwärtsspannung und kann sehr schnell schalten.
Z-Diode: Sie wird gezielt im Sperrdurchbruch betrieben und kann zur Spannungsbegrenzung oder Spannungsstabilisierung eingesetzt werden.
LED: Sie wandelt einen Teil der elektrischen Energie in Licht um.
Fotodiode: Sie reagiert auf Licht und wird als Sensor verwendet.

Leuchtdiode

Eine Leuchtdiode, kurz LED, ist eine spezielle Halbleiterdiode, die bei Stromfluss in Durchlassrichtung Licht aussendet. Die Farbe des Lichts hängt vor allem vom verwendeten Halbleitermaterial und seiner Bandstruktur ab.

LEDs dürfen in einfachen Schaltungen normalerweise nicht direkt an eine Spannungsquelle angeschlossen werden. Häufig wird ein Vorwiderstand verwendet, damit der Strom begrenzt bleibt.

Für eine einfache Reihenschaltung aus Spannungsquelle, Vorwiderstand und LED gilt näherungsweise:

R = (U_Quelle - U_LED) / I_LED

Dabei ist R der Widerstand, U_Quelle die Versorgungsspannung, U_LED die Vorwärtsspannung der LED und I_LED der gewünschte LED-Strom.

Z-Diode

Eine Z-Diode wird meist in Sperrrichtung betrieben. Sobald die für sie vorgesehene Durchbruchspannung erreicht wird, steigt der Strom deutlich an. In einem geeigneten Strombereich bleibt die Spannung über der Z-Diode dabei näherungsweise konstant.

Deshalb können Z-Dioden unter anderem zur Spannungsbegrenzung und zum Schutz empfindlicher Schaltungsteile eingesetzt werden. Ein Vorwiderstand oder eine andere Form der Strombegrenzung ist dabei wichtig.

Schutzfunktionen von Dioden

Dioden schützen elektronische Schaltungen auf verschiedene Weise. Eine Diode kann beispielsweise verhindern, dass bei einer falsch angeschlossenen Gleichspannungsquelle Strom in eine unerwünschte Richtung fließt.

Bei Relais, Magnetspulen und anderen induktiven Verbrauchern wird häufig eine Freilaufdiode eingesetzt. Beim Abschalten kann eine Spule kurzzeitig eine hohe Spannung erzeugen. Die Freilaufdiode ermöglicht dem Spulenstrom einen sicheren Abklingpfad und reduziert dadurch gefährliche Spannungsspitzen.

Diode mit dem Multimeter prüfen

Viele Multimeter besitzen eine Diodentestfunktion. Dabei legt das Messgerät einen kleinen Prüfstrom an und zeigt typischerweise die Vorwärtsspannung an.

Bei einer intakten Siliziumdiode zeigt das Messgerät in Durchlassrichtung häufig einen Wert im Bereich von ungefähr 0,6 bis 0,7 V. Wird die Polung vertauscht, sollte die Diode sperren. Die genaue Anzeige hängt von Diode und Messgerät ab.

Bei eingebauten Dioden können parallele Schaltungsteile die Messung verfälschen. Für eine sichere Diagnose muss deshalb manchmal mindestens ein Anschluss der Diode aus der Schaltung gelöst werden.

Typische Anwendungen

Dioden findest Du in sehr vielen elektronischen Geräten. Sie dienen beispielsweise der Gleichrichtung in Netzteilen, dem Schutz vor falscher Polarität, dem Ableiten von Spannungsspitzen, der Erzeugung von Licht, der Spannungsbegrenzung und der Verarbeitung elektrischer Signale.

Damit gehören Dioden zu den grundlegenden Bauteilen, auf denen viele komplexere elektronische Schaltungen aufbauen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Hauptfunktion besitzt eine gewöhnliche Diode? (Sie lässt Strom hauptsächlich in einer Richtung fließen) (!Sie speichert elektrische Ladung dauerhaft) (!Sie verstärkt jeden elektrischen Strom) (!Sie erzeugt selbstständig Wechselspannung)

Wie heißen die beiden Anschlüsse einer normalen Diode? (Anode und Kathode) (!Emitter und Kollektor) (!Gate und Source) (!Phase und Neutralleiter)

Was entsteht am Übergang zwischen p- und n-dotiertem Halbleiter? (Eine Sperrschicht) (!Eine mechanische Kontaktfeder) (!Eine Spule) (!Ein Transformator)

Wann befindet sich eine Diode in Durchlassrichtung? (Wenn die Anode gegenüber der Kathode positiv ist) (!Wenn Anode und Kathode dauerhaft kurzgeschlossen sind) (!Wenn an beiden Anschlüssen keine Spannung vorhanden ist) (!Wenn die Kathode deutlich positiver als die Anode ist)

Welcher Näherungswert wird häufig für die Durchlassspannung einer Siliziumdiode verwendet? (Etwa 0,7 Volt) (!Etwa 12 Volt) (!Etwa 230 Volt) (!Etwa 1000 Volt)

Welche Aufgabe erfüllt ein Brückengleichrichter? (Er nutzt beide Halbwellen einer Wechselspannung zur Gleichrichtung) (!Er verstärkt nur Wechselspannung) (!Er wandelt Gleichspannung direkt in Licht um) (!Er misst den elektrischen Widerstand)

Welche Diode sendet im Betrieb Licht aus? (Leuchtdiode) (!Gleichrichterdiode) (!Z-Diode) (!Freilaufdiode)

Wofür wird eine Z-Diode typischerweise verwendet? (Zur Spannungsbegrenzung) (!Zum mechanischen Schalten) (!Zum Speichern magnetischer Energie) (!Zum Erzeugen von Schall)

Welche Funktion hat eine Freilaufdiode an einer Spule? (Sie begrenzt gefährliche Spannungsspitzen beim Abschalten) (!Sie erhöht die Netzfrequenz) (!Sie ersetzt die Spule) (!Sie verdoppelt immer die Betriebsspannung)

Was zeigt die Kennlinie einer Diode? (Den Zusammenhang zwischen Diodenspannung und Diodenstrom) (!Nur die Abmessungen des Bauteils) (!Nur die Farbe des Gehäuses) (!Nur den Preis der Diode)

Memory

Anode	Anschluss der Diode
Kathode	Gegenanschluss der Diode
Sperrschicht	Ladungsträgerarmer Bereich am p-n-Übergang
LED	Licht aussendende Diode
Z-Diode	Diode zur Spannungsbegrenzung
Gleichrichter	Schaltung zur Umwandlung von Wechselspannung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Durchlassrichtung	Strom kann deutlich fließen
Sperrrichtung	Strom wird weitgehend blockiert
Leuchtdiode	Wandelt elektrische Energie teilweise in Licht um
Freilaufdiode	Schützt vor Spannungsspitzen an Spulen
Brückengleichrichter	Nutzt vier Dioden zur Vollweggleichrichtung

Kreuzworträtsel

Anode	Wie heißt ein Anschluss der Diode?
Kathode	Wie heißt der zweite Anschluss der Diode?
Silizium	Welches Halbleitermaterial wird häufig für Dioden verwendet?
Kennlinie	Wie heißt die grafische Darstellung von Strom und Spannung?
Sperrschicht	Wie heißt die ladungsträgerarme Zone am p-n-Übergang?
Gleichrichter	Wie heißt eine Schaltung zur Umwandlung von Wechselspannung in gleichgerichtete Spannung?

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Lückentext

Eine Diode ist ein elektronisches Bauelement, das Strom hauptsächlich in

leitet. Die beiden Anschlüsse heißen

und Kathode. Viele Halbleiterdioden besitzen einen

. Dort bildet sich eine

. In Durchlassrichtung steigt der Strom mit zunehmender Vorwärtsspannung stark

. Bei einer Siliziumdiode wird für einfache Rechnungen häufig eine Durchlassspannung von etwa

angenommen. In Sperrrichtung fließt nur ein sehr kleiner

. Eine Schaltung aus vier Dioden kann als

arbeiten. Eine LED wandelt elektrische Energie teilweise in

um. Eine Z-Diode kann zur

eingesetzt werden.

Offene Aufgaben

Leicht

Diodensymbol: Zeichne das Schaltzeichen einer Diode und beschrifte Anode und Kathode.
Bauteilsuche: Suche in einem ausrangierten ungefährlichen Elektronikgerät nach sichtbaren Dioden oder LEDs und dokumentiere ihre Bauformen mit einer Skizze oder einem Foto.
Durchlassrichtung: Erkläre mit eigenen Worten den Unterschied zwischen Durchlassrichtung und Sperrrichtung.
LED-Schaltung: Zeichne eine einfache Schaltung aus Spannungsquelle, Vorwiderstand und LED.

Standard

Diodentest: Prüfe unter fachgerechter Anleitung mehrere Dioden mit einem Multimeter und protokolliere die Messwerte in beiden Polrichtungen.
Kennlinie: Erstelle aus vorgegebenen oder selbst gemessenen Strom- und Spannungswerten eine Diodenkennlinie.
Gleichrichter: Baue oder simuliere einen Einweggleichrichter und vergleiche Eingangs- und Ausgangsspannung.
Brückengleichrichter: Erkläre anhand einer eigenen Zeichnung, welche beiden Dioden bei jeder Halbwelle Strom führen.

Schwer

Diodenvergleich: Vergleiche eine Siliziumdiode, eine Schottky-Diode und eine LED anhand von Datenblättern.
Freilaufdiode: Entwickle eine Relais- oder Spulenschaltung mit Freilaufdiode und begründe die Einbaurichtung.
Spannungsstabilisierung: Plane eine einfache Schaltung mit Z-Diode und Vorwiderstand zur Begrenzung einer Spannung.
Erklärvideo: Produziere ein kurzes Lernvideo, in dem Du den p-n-Übergang und das Verhalten der Diode in beiden Polrichtungen erklärst.

Lernkontrolle

Fehlersuche Diode: In einer Schaltung fließt trotz vorhandener Versorgungsspannung kein Strom. Entwickle mehrere mögliche Erklärungen, die mit der Einbaurichtung oder einem Defekt der Diode zusammenhängen.
Brückengleichrichter analysieren: Erkläre, warum bei einem Brückengleichrichter im leitenden Strompfad immer zwei Dioden berücksichtigt werden müssen.
LED-Vorwiderstand: Begründe, warum eine LED bei Betrieb an einer Spannungsquelle meistens einen Vorwiderstand benötigt.
Bauteilwahl: Entscheide für die Anwendungen Gleichrichtung, schnelle Schaltung, Lichtanzeige und Spannungsbegrenzung jeweils über einen geeigneten Diodentyp und begründe Deine Wahl.
Temperatur und Kennlinie: Erkläre, warum eine vereinfachte feste Durchlassspannung nur ein Modell ist und nicht das gesamte reale Diodenverhalten beschreibt.
Induktive Last: Analysiere, was beim Abschalten einer Spule ohne Freilaufdiode passieren kann und wie eine parallel geschaltete Diode die Schaltung schützt.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zum Thema Diode solltest Du zeigen können, dass Du die Funktion einer Halbleiterdiode verstehst und auf Schaltungen übertragen kannst. Wichtig sind besonders:

Du kannst Anode und Kathode unterscheiden und das Diodensymbol lesen.
Du kannst Durchlassrichtung und Sperrrichtung erklären.
Du kannst den p-n-Übergang und die Sperrschicht in einem einfachen Modell beschreiben.
Du kannst eine Diodenkennlinie grundlegend auswerten.
Du kannst die vereinfachte Durchlassspannung einer Siliziumdiode in einfachen Berechnungen berücksichtigen.
Du kannst wichtige Diodentypen geeigneten Anwendungen zuordnen.
Du kannst die Funktion eines Einweg- und Brückengleichrichters erklären.
Du kannst die Schutzwirkung einer Freilaufdiode erläutern.
Du kannst einfache Diodenschaltungen analysieren und typische Fehler erkennen.