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Dioden, LEDs und Transistoren – Dioden

Die Diode ist ein einfaches Halbleiterbauelement, das in vielen elektronischen Geräten, wie Ladegeräten, LEDs und Solarzellen verwendet wird. Was besteht sie aus und kann sie in Sperrrichtung Strom leiten? Lerne das und wie die Kennlinie einer Diode den Zusammenhang zwischen Stromstärke und angelegter Spannung zeigt.

Alle Inhalte sind von Lehrkräften & Lernexperten erstellt
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Team Wissensdurst
Dioden, LEDs und Transistoren – Dioden
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse - 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Dioden, LEDs und Transistoren – Dioden Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Dioden, LEDs und Transistoren – Dioden kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe den Aufbau einer Diode.

    Tipps

    Bei der Dotierung werden Fremdatome in einen Halbleiterkristall eingebracht. Dabei können entweder Fremdatome eingebracht werden, die mehr Valenzelektronen haben, oder solche, die weniger Valenzelektronen haben. Dabei kommt es entweder zu freien (negativen) Elektronen oder zu positiven Löchern. Wie heißen die jeweiligen Schichten?

    Bei der n-Dotierung wird ein Fremdatom mit mehr Valenzelektronen eingebracht. Ein Elektron kann nicht gebunden werden und wird frei. Wie könnte es bei einer p-Dotierung sein?

    Wenn ein freies Elektron und ein positives Loch aufeinandertreffen, dann rekombinieren sie. Es kommt zu keiner weiteren Verschiebung. Kann dies an den Übergangsflächen der Schichten leicht passieren und kann das auch noch passieren, wenn bereits eine rekombinierte Schicht vorhanden ist?

    Lösung

    Bei der Dotierung werden Fremdatome in einen Halbleiterkristall eingebracht. Dabei können entweder Fremdatome eingebracht werden, die mehr Valenzelektronen haben, oder solche, die weniger Valenzelektronen haben.

    Werden Fremdatome mit mehr Valenzelektronen eingebracht, dann wird das n-Dotierung genannt. Ein Elektron kann jeweils nicht an das Atom des Halbleiterkristalls gebunden werden und wird zu einem freien Elektron.

    Werden Fremdatome mit weniger Valenzelektronen eingebracht, dann wird das p-Dotierung genannt. Es fehlt jeweils ein Elektron in der Valenzschicht des Halbleiteratoms. Somit kommt es zu einem sogenannten positiven Loch.
    Die Löcher bewegen sich, da immer ein anderes Elektron aus einem Nachbaratom das Loch füllt und dort ein neues entsteht.

    Dort wo die Schichten aneinander angrenzen werden die Löcher von den freien Elektronen gefüllt. Es kommt zur Rekombination. Die Valenzschale des Halbleiteratoms ist gefüllt und es sind auch keine freien Elektronen mehr über.

    So bildet sich eine Schicht aus, in der keine Bewegung von Löchern oder Elektronen stattfindet. Dadurch wird es mit zunehmender Schichtdicke immer unwahrscheinlicher, dass ein freies Elektron noch auf ein positives Loch trifft.
    Die Sperrschicht hat sich gebildet.

  • Zeige die Kennlinie einer Diode.

    Tipps

    Wenn die Diode in Durchlassrichtung angeschlossen ist, dann nimmt der Strom ab der Schwellspannung enorm zu. Bei geringeren Spannungen ist die Sperrschicht noch sehr groß.

    Die negative Seite des Koordinatensystems zeigt an, dass der Strom dann in die andere Richtung fließt. Wie verhält sich eine Diode, wenn sie in Sperrrichtung angeschlossen ist?

    Bis zu einer gewissen Spannung lässt die Diode in Sperrrichtung keinen Strom durch. Ab einer Spannung $U_D$, die auch Durchschlagsspannung genannt wird, geht die Diode kaputt und der Strom steigt sehr stark an.

    Lösung

    Jede Diode ist etwas unterschiedlich und hat demnach auch eine unterschiedliche Kennlinie.
    Die Kennlinie wird in einem Spannungs-Strom-Diagramm aufgetragen. Dabei wird also die Stromstärke in Abhängigkeit der Spannung betrachtet.

    Alle Dioden haben jedoch gemeinsam, dass sie in Durchlassrichtung grundsätzlich Strom durchlassen und in Sperrrichtung nicht.

    Dabei steigt die Stromstärke in Durchlassrichtung ab der Schwellspannung stark an. Diese Spannung kann aber auch sehr gering sein. Diese Spannung ist notwendig, um den Sperrbereich der Diode zu überwinden.

    In Sperrichtung wird Strom erst ab der Durchschlagsspannung durchgelassen. Diese ist immer sehr groß im Verhältnis zur Durchlassspannung. Die Diode geht hier kaputt und lässt deswegen Strom durch.

  • Erkläre die Funktionsweise einer Diode.

    Tipps

    Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an, gleichnamige stoßen sich ab. Welchen Ladungen entsprechen die Ladungsträger und wohin werden sie je nach Anschluss an die Pole gezogen?

    Wie wirkt sich eine Verschiebung der Ladungsträger jeweils auf die Größe der Sperrschicht aus? Die Ladungsträger können in die Mitte oder zum Rand verschoben werden.

    Ein Strom fließt nur dann, wenn die Elektronen ungehindert von einer Seite bis zur anderen Seite der Diode fließen können.

    Lösung

    In der Physik gilt ganz allgemein:
    Ungleichnamige Ladung ziehen sich an und gleichnamige Ladungen stoßen sich ab.

    Dieses Prinzip kann auch hier angewendet werden. Die positiven Löcher entsprechen positiven Ladungsträgern und die freien Elektronen entsprechen negativen Ladungsträgern.

    Ja nachdem, an welche Schicht welcher Pol angeschlossen wird, werden die Ladungsträger dann angezogen oder abgestoßen.

    Werden sie abgestoßen, dann bewegen sich die Ladungsträger in Richtung der Mitte. Deswegen wird die Sperrschicht verkleinert.
    Sobald die Spannung größer als die Schwellspannung ist, können die Ladungen die Sperrschicht durchdringen und es fließt ein Strom.

    Werden sie von den Polen angezogen, dann bewegen sich die Ladungsträger zu den Rändern der Diode. Die Sperrschicht wird vergrößert. Es fließt kein oder nur ein sehr kleiner Strom.
    Erst wenn die Spannung größer als die Durchschlagsspannung ist, schlägt die Diode durch und es fließt wieder ein Strom.

  • Erkläre die Funktionsweise einer Photodiode.

    Tipps

    In der Sperrschicht existieren Restladungen. Diese werden auch Raumladungen genannt. Sie können die Bewegung von beweglichen Ladungsträgern beeinflussen.

    Gleichnamige Ladungen ziehen sich an, ungleichnamige stoßen sich ab. Wohin werden die beweglichen Ladungsträger dann jeweils von den Raumladungen gezogen?

    Dadurch, dass ungleichnamige Ladungen sich anziehen, entsteht eine Spannung zwischen ihnen, falls sie auseinanderbewegt werden oder zwischen ihnen ein Abstand besteht.

    Lösung

    Bei der Bildung der Sperrschicht entstehen Restladungen, die sogenannten Raumladungen.
    Hierbei entsteht auf der Seite der n-dotierten Schicht eine positive Raumladung.
    Auf der Seite der p-dotierten Schicht entsteht eine negative Raumladung.

    Die obenliegende Schicht ist sehr dünn. Die Photonen des Lichtes können sie durchdringen. Mit ihrer Energie können sie in der Sperrschicht dann Elektronen aus ihren Bindungen schlagen.
    So entsteht ein freies Elektron und damit auch ein positives Loch.

    Durch die positive Raumladung wird das (negative geladene) freie Elektron dann in die n-dotierte Schicht gezogen.
    Das positive Loch wird von der negativen Raumladung in die p-dotierte Schicht gezogen.

    Zwischen dem Elektron und dem positiven Loch baut sich anschließend eine Spannung auf.

    Dies passiert immer wieder, bis die Spannung so groß ist, dass sie messbar wird: die Leerlauf-Spannung.

  • Nenne die Besonderheit einer Diode.

    Tipps

    Dioden werden zum Beispiel als Lampen eingesetzt. Können diese von alleine leuchten und Strom erzeugen, oder sind sie auf einen Stromkreis angewiesen?

    Bei einer Diode gibt es eine Durchlass- und eine Sperrrichtung. Was könnten diese Begriffe heißen?

    Die Durchlassrichtung gibt die Richtung an, in die der Strom durchgelassen wird. Die Sperrrichtung gibt die Richtung an, in die der Strom gesperrt wird.

    Lösung

    Die Diode kann in zwei Richtungen in einen Schaltkreis eingebaut werden.

    Es gibt die Durchlassrichtung und die Sperrrichtung.

    In der Durchlassrichtung wird der Strom durchgelassen. In einem Stromkreis mit einer Lampe würde die Lampe nun leuchten.

    In der Sperrrichtung wird der Strom nicht durchgelassen. Die Lampe würde nun nicht leuchten.

    Somit kann mit einer Diode zwar eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt werden, andersherum geht das aber nicht: Da die Diode den Strom nur in eine Richtung durchlässt, kann durch sie keine Wechselspannung entstehen. Bei dieser würde der Strom abwechselnd in verschiedene Richtungen fließen.

  • Erkläre den Unterschied zwischen LED und Photodiode.

    Tipps

    Die LED wird auch Leuchtdiode genannt. Das kommt von der Übersetzung des englischen Wortes light-emitting diode. Auf welche Verwendung könnte es hinweisen?

    Heutzutage werden in vielen Lampen LED's verwendet. Diese werden im Gegensatz zu herkömmlichen Glühlampen nicht warm.

    Auch Wärmestrahlung ist im Licht enthalten. Sie wird auch Infrarotstrahlung genannt.

    Photodioden findest du zum Beispiel in Solarpanelen.

    Lösung

    Die LED wird auch Leuchtdiode genannt. Dabei kommt LED aus dem englischen und heißt dort light-emitting diode, was übersetzt so viel wie Licht aussendende Diode heißt. Das Wort Emittieren wird dabei auch im Deutschen verwendet.

    Daraus wird auch der Zweck einer LED leicht ersichtlich:
    Sie emittiert Licht.
    Genauer entsteht bei jeder Rekombination von freien Elektronen und Löchern Wärme. Diese Wärme wird dann in abgestrahltes Licht umgewandelt.

    Eine Photodiode ist dagegen zum Beispiel in Solarzellen zu finden. Sie nimmt Licht auf. Weiterhin wird mithilfe der Energie des aufgenommenen Lichtes eine Spannung erzeugt. So wird das Licht in elektrische Energie umgewandelt.

    Ein Beispiel zur Anwendung:
    Wird die Photodiode in Sperrrichtung betrieben, dann leuchtet die Lampe nur dann, wenn Licht auf die Diode scheint. Wird statt der Lampe nun ein Amperemeter (Strommessgerät) eingebaut, kann die Lichtmenge, die auf die Diode fällt, gemessen werden. Je mehr Licht auf die Diode fällt, desto größer der Strom.