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Halbleiterdiode 08:05 min

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Transkript Halbleiterdiode

Hallo und herzlich willkommen. In diesem Video beschäftigen wir uns mit Halbleiterdioden. Das sind elektronische Bauteile, die in fast jedem Schaltkreis auftauchen. So ist es mit einer Diode zum Beispiel sehr einfach, einen Wechselstrom in einen Gleichstrom umzuwandeln. Wie das funktioniert, wirst du am Ende des Videos verstanden haben. Um zu verstehen wie Halbleiterdioden funktionieren, wiederholen wir zuerst das Thema dotierte Halbleiter. Danach betrachten wir die physikalischen Effekte in einer Halbleiterdiode einmal ohne angelegte elektrische Spannung und einmal mit angelegter elektrischer Spannung. Zum Schluss zeige ich dir noch, was man aus der Kennlinie einer Diode alles lesen kann. Und damit kann es auch schon losgehen. Halbleiterdioden bestehen aus dotierten Halbleitern. Das sind Verbindungshalbleiter, die aus einem halbleitenden Element der vierten Hauptgruppe, zum Beispiel Silizium, und einem Dotierungselement der dritten oder fünften Hauptgruppe bestehen. Dotiert man mit einem Element der dritten Hauptgruppe zum Beispiel Aluminium, so bleibt eine Leerstelle auf der Valenzschale eines der umgebenden Siliziumatome unbesetzt, da Aluminium nur drei Elektronen in der Valenzschale hat. Diese Leerstelle nennt man Loch. Dieses Loch entspricht einer positiven Ladung. Man nennt einen solchen Halbleiter p-dotiert. Dotiert man mit einem Element der fünften Hauptgruppe, z.B. Arsen, so werden alle Leerstellen in den Valenzschalen der umliegenden Siliziumatome besetzt. Zusätzlich dazu ist noch ein weiteres negativ geladenes Elektron des Arsens übrig. Das liegt daran, dass Arsen fünf Elektronen auf der Valenzschale hat. Der Halbleiter ist damit negativ, sprich n-dotiert. Da du jetzt weißt, was man unter dotierten Halbleitern versteht, können wir uns der Halbleiterdiode zuwenden. Zuerst betrachten wir eine Halbleiterdiode, an der keine Spannung anliegt. Sie besteht aus einer p-dotierten und einer n-dotierten Schicht. Jede Schicht für sich ist neutral, da sie aus neutralen Atomen besteht. Allerdings existieren durch die Dotierung freie Ladungsträger. Bringt man nun diese Schichten zusammen, so können sich die Ladungsträger in die jeweils andere Schicht bewegen. Man sagt: Sie diffundieren. So kommt es, dass positive Löcher und negative Elektronen aufeinander treffen und sich unter Erzeugung von Wärme oder Licht die Ladungen neutralisieren. Diesen Vorgang nennt man Rekombination. An der Grenzfläche dieses sogenannten p-n-Überganges neutralisieren sich alle Ladungen und es gibt keine freien elektrischen Ladungen mehr. Man spricht von einer Verarmungszone. Sie hat eine Breite von circa 100 Nanometer. Dabei entspricht ein Nanometer einem Millimeter geteilt durch eine Million. Durch diese Prozesse ist die Grenzfläche nicht mehr elektrisch neutral. Die n-dotierte Schicht hat weniger negative Ladungen. Sie ist an der Grenzfläche positiv geladen. Bei der p-dotierten Schicht fehlen positive Ladungen. Sie ist in der Grenzfläche negativ geladen. Durch diese entgegengesetzten Raumladungen entsteht ein elektrisches Feld, was eine elektrische Spannung zur Folge hat. Die Größe dieser Spannung ist vom verwendeten Halbleitermaterial abhängig. Bei Silizium beträgt sie 0,7 Volt, bei Germanium 0,1 Volt. Die Spannung ist der Diffusionsbewegung der Ladungsträger entgegengerichtet und hindert diese daran, die jeweils andere Schicht zu diffundieren. So stellt sich ein Gleichgewicht ein, in dem keine Löcher und Elektronen mehr in eine andere Schicht diffundieren. So verhält sich eine Halbleiterdiode ohne angelegte elektrische Spannung. Viel interessanter ist allerdings ihr Verhalten, wenn eine externe elektrische Spannung anliegt. Dabei hängt das Verhalten der Diode entscheidend davon ab, in welche Richtung man die Spannung anlegt. Legt man an der n-dotierten Schicht eine positiv gepolte Anode einer p-dotierten Schicht eine negativ gepolte Kathode an, so wird die Diode in Sperrrichtung betrieben. Die Ladungsträger bewegen sich aufgrund der elektrostatischen Anziehung auseinander. Es fließt nur ein sehr kleiner elektrischer Strom, der sogenannte Sperrstrom. Ist die von außen angelegte Spannung größer als die sogenannte Durchbruchspannung, so schlägt die Diode durch und ist den meisten Fällen kaputt. Schließt man die Anode an die p-dotierte Schicht und die Kathode an die n-dotierte Schicht an, so bewegen sich die Ladungsträger aufeinander zu und rekombinieren an der Grenzschicht. Von der Spannungsquelle werden ständig neue Ladungsträger in das Material eingebracht und es fließt ein merklicher elektrischer Strom. Diese Richtung der Polung nennt man Durchlassrichtung. In einem Schaltkreis verwendet man folgendes Symbol für eine Diode: Zeigt die technische Stromrichtung in Richtung der Spitze des Dreiecks, so ist die Diode in Durchlassrichtung geschalten. Zeigt sie zuerst auf den Strich zu, ist die Diode in Sperrrichtung geschalten. Eine Diode kann Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln. Wechselstrom bedeutet, dass Strom und Spannung ständig die Richtung wechseln. Deutlich wird es in einem Strom-Zeit-Diagramm. Auf der x-Achse haben wir die Zeit t, auf der y-Achse den Strom I. In dieser Schaltung liefert die Spannungsquelle Wechselstrom. Im Diagramm sieht man wie sich das Vorzeichen des Stromes ständig ändert. In der zweiten Schaltung liefert die Spannungsquelle auch Wechselstrom. Durch die Diode entsteht aber ein pulsierender Gleichstrom, da nur eine Stromrichtung durchgelassen wird. Diese Anwendung der Diode nennt man Gleichrichtung. Verwendet werden solche Gleichrichter zum Beispiel in Netzteilen von Handyladegeräten. Und jetzt zeige ich dir, wie man die wichtigsten Eigenschaften einer Diode in einem Diagramm zusammenfassen kann. Um Diodenschaltung zu verwenden, muss man wissen wie sich der Strom in Abhängigkeit von der Spannung verhält. Dazu nimmt man für verschiedene Spannungen u Werte für den Diodenstrom I auf. Für kleine Spannungen u fließt kaum Strom, bis zur sogenannten Schleusenspannung Us. An diesem Punkt steigt der Strom stark an. Die Schleusenspannung entspricht der Spannung, die sich in der Grenzschicht der Diode aufgebaut hat. Den Bereich positiver Spannung nennt man Durchlassbereich. Liegt die Spannung in Sperrrichtung an, Diagramm Sperrbereich genannt, so fließt nur ein kleiner Sperrstrom. Ist die angelegte Spannung in Sperrrichtung gleich der Durchbruchspannung uBR, so schlägt die Diode durch und fließt elektrischer Strom. Man befindet sich dann im Durchbruchbereich. Hat man die Kennlinie einer Diode aufgenommen, so weiß man für jeden Spannungswert wie viel Strom fließt. Man kann das Bauteil effektiv einsetzen. So, was hast du eben gelernt? Halbleiterdioden bestehen aus einer p- und einer n-dotierten Schicht. Bringt man diese zusammen, so bildet sich an der Grenzschicht eine Verarmungszone, in das sich keine freien Ladungsträger mehr befinden, Außerdem sind die Schichten nicht mehr elektrisch neutral. Es existiert eine Spannung, die die Bewegung der freien Ladungsträger hindert. Eine Diode kann in Sperr- und in Durchlassrichtung betrieben werden. Sie leitet, wenn die n-dotierte Schicht am Minus- und die p-dotierte Schicht am Pluspol anliegen. Um die Eigenschaften einer Diode in einem Bild darzustellen, nimmt man Kennlinien auf. Das war es zum Thema Halbleiterdioden. Ich hoffe, du hast was gelernt. Tschüss und bis zum nächsten Mal.

10 Kommentare
  1. Default

    Das Video war echt super! Das Thema wurde sehr verständlich erklärt und ich habe hier in 8 Minuten mehr gelernt als in 2 Doppelstunden in der Schule👍🏻

    Von Kathrin Faul, vor 3 Monaten
  2. Karsten

    Hallo Jan,

    ja zum einen rekombinieren die Ladungen im Bereich der Sperrschicht. Zusätzlich sorgt aber die angelegte Spannung in Sperrrichtung dafür, dass sich die Elektronen im Material bewegen. Dabei entfernen sich die Elektronen vom negativen Pol und nähern sich dem positiven Pol an. Als Konsequenz wandern dann auch die Löcher (Elektronenmangel) in der p-dotierten Schicht zum negativen Pol.

    Liebe Grüße aus der Redaktion

    Von Karsten Schedemann, vor 3 Monaten
  3. Default

    Ich verstehe nicht ganz wieso sich auch die positiven Ladungen bewegen. Ist es nicht so, dass die negativen Ladungen zum positiven Loch springen und sich die n-dotierte Schicht sowie die p-dotierte Schicht so neutralisieren?

    Von Jan F., vor 3 Monaten
  4. Karsten

    Hallo, beide Varianten sind gebräuchlich.

    Um es einheitlicher zu machen hat man sich entschieden die Benennung der Mathematiker zu übernehmen.

    Also besser Zeit-Strom-Diagramm.

    Von Karsten Schedemann, vor mehr als einem Jahr
  5. Default

    Heißt es Zeit-Strom oder Strom-Zeit Diagramm ?

    Von Amend Juergen, vor mehr als einem Jahr
  1. Default

    gutes video

    Von K Sondermann, vor mehr als einem Jahr
  2. Default

    sehr lehrreiches video!!!!!!

    Von maurice e., vor mehr als 2 Jahren
  3. Harley davidson logo 12

    Sau gutes Video!!!

    Von Fabi007, vor etwa 4 Jahren
  4. Karsten

    Hallo,
    ich glaube du vertauscht gerade die Perioden und die Hauptgruppen. Die Reihen (von links nach rechts) heißen Perioden sie zeigen an mit welche Schale die Valenzschale ist. Die Spalten (von oben nach unten) heißen Hauptgruppen (sie zeigen an wieviele Elektronen auf der Valenzschale sind.
    Silizium (Si) ist in der 3. Periode und in der 4. Hauptgruppe.
    Bedeutet also die 3. Schale ist die Valenzschale auf dieser sind 4 Elektronen.

    Von Karsten Schedemann, vor fast 5 Jahren
  5. Default

    Ist nicht SI in der 3.Hauptgruppe ?

    Von A5086903, vor fast 5 Jahren
Mehr Kommentare

Halbleiterdiode Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Halbleiterdiode kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib an, was ein dotierter Halbleiter ist.

    Tipps

    Man wählt häufig Silicium als Halbleiterelement.

    Silicium kann mit Aluminium oder Arsen dotiert werden.

    Lösung

    Ein dotierter Halbleiter ist ein Verbindungshalbleiter, der aus einem Halbleiterelement der **4. HG und einem Dotierelement der 3. oder 5. HG des Periodensystems besteht. Als Element der 4. HG wählt man häufig Silicium, deshalb betrachten wir nun dieses Beispiel:

    • Da Silicium ein Element der 4. HG ist, muss dieses vier Elektronen auf der äußersten Schale besitzen, wenn es elektrisch neutral ist.
    • Diese Elektronen gehen nun eine Elektronenpaarbindung mit den Elektronen benachbarter Silicium-Atome ein.
    • Es entsteht ein Silicium-Gitter, in dem keine freien Elektronen vorhanden sind, da diese alle in einer Bindung festgehalten werden.
    • Entnimmt man nun ein Silicium-Atom aus dem Verbund und setzt ein Atom der 5. HG wie etwa Arsen ein, so spricht man von einer Dotierung des Siliciums mit Arsen.
    • Da das Arsen nun fünf Valenzelektronen besitzt, von denen nur vier in einer Elektronenpaarbindung fixiert werden, bleibt ein freies Elektron übrig. Der Halbleiter ist dann n-dotiert.
    Dotiert man $Si$ mit einem Element der 3. HG wie etwa Aluminium $Al$ , so ensteht ein p-dotierter Halbleiter, in dem ein Überschuss an positiver Ladung besteht.

  • Bestimme das Symbol für die Halbleiterdiode.

    Tipps

    Um einen Schaltplan richtig zu lesen, muss zudem bekannt sein, welches die Durchlassrichtung und welches die Sperrrichtung der Diode ist.

    Lösung

    Hier siehst du das Schaltzeichen der Halbleiterdiode.

    Um das Schaltzeichen richtig zu lesen, muss bekannt sein, welches die Durchlassrichtung und welches die Sperrrichtung der Diode ist.

    • Als Durchlassrichtung der Diode bezeichnet man die Pfeilrichtung, also hier von unten nach oben. Nur in dieser Richtung kann ein Strom fließen.
    • Die andere Richtung, also von oben nach unten, ist die Sperrrichtung. In diese Richtung wird kein Strom übertragen. Die Diode kann jedoch durchschlagen, wenn zu hohe Spannungen anliegen.

  • Erkläre, wie die Verarmungszone entsteht.

    Tipps

    Eine Halbleiterdiode besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleitern.

    An der Grenzschicht entsteht eine elektrische Spannung.

    Lösung

    Eine Halbleiterdiode besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleitern:

    • Es gibt den p-dotierten Halbleiter, der aufgrund der Eigenschaften seiner Dotierung einen Überschuss an positiven Löchern hat, und
    • den n-dotierten Halbleiter , in dem freie Elektronen existieren.
    Du kannst dir die positiven Löcher als einen freien Bindungsplatz in der Struktur des Halbleiters vorstellen. An dieser Stelle wäre es energetisch günstig, ein Elektron aufzunehmen und dieses in eine Valenzbindung zu integrieren. Dabei sind die beiden Halbleiter elektrisch völlig neutral, denn beide tragen dieselbe Anzahl Protonen wie Elektronen.

    Die freien Elektronen aus der n-dotierten Schicht können nun über die Stoffgrenze hinweg in die andere p-dotierte Schicht diffundieren. Ebenso können auch die positiven Löcher ihren Aufenthaltsort ändern. Trifft dann ein positives Loch auf ein Elektron, so neutralisieren sich diese unter Abgabe von Energie. Man nennt diesen Vorgang auch Rekombination.

    Da nun an der Übergangsschicht zwischen dem p- und n-dotierten Halbleiter alle Löcher und freie Elektronen neutralisiert werden, entsteht eine Verarmungszone. Bei der Bewegung der Ladung ändert sich das elektrische Potential, sodass an der Grenzschicht eine elektrische Spannung entsteht, welche verhindert, dass eine weitere Diffusion stattfindet.

  • Beschreibe, was passiert, wenn eine externe Spannung an eine Halbleiterdiode angelegt wird.

    Tipps

    Die Kathode ist der negative Pol.

    Eine Diode hat eine Sperr- und eine Durchlassrichtung.

    Lösung

    Legen wir eine Spannung an einer Halbleiterdiode an, so ist vor allem interessant, in welcher Richtung die Spannung abfällt, also an welchem Halbleiter die Anode und an welchem die Kathode angebracht wird. Generell bezeichnet die Kathode stets den Ort des Elektronenüberschusses, also den Minus-Pol, während die Anode den Plus-Pol darstellt.

    • Legen wir nun eine Spannung an einer Halbleiterdiode an, sodass die Anode am n-dotierten Halbleiter anliegt. In diesem Fall ist die Diode in Sperrrichtung geschaltet, das heißt, es kann nur ein sehr kleiner Sperrstrom fließen.
    • Erhöht man hier die äußere Spannung, sodass diese die Durchbruchsspannung übersteigt, schlägt die Diode durch und ist in der Regel kaputt.
    • Um die Diode in Durchlassrichtung zu schalten, müssen Anode und Kathode vertauscht werden. Wir bringen also die Anode nun an der p-dotierten Schicht und die Kathode an der n-dotierten Schicht an. So ist gewährleistet, dass Ladungsträger an der Grenzschicht rekombinieren können und es kann ein Strom fließen.
    Da die Halbleiterdiode nur eine Durchlassrichtung hat, kann diese dazu eingesetzt werden, Wechselstrom zu Gleichstrom umzuformen. Diese Technik wird etwa im Ladegerät deines Handys verwendet.

  • Erkläre die Kennlinie der Halbleiterdiode.

    Tipps

    Die Diodenkennlinie gibt an, in welchem Spannungsbereich eine Diode genutzt werden kann.

    Wird eine Diode durchbrochen, ist diese nicht länger zu gebrauchen.

    Lösung

    Die Diodenkennlinie gibt an, in welchem Spannungsbereich eine Diode gut genutzt werden kann. Dazu teilt man den Graphen in drei Bereiche ein:

    1. Durchlassbereich: Das ist der Bereich, in dem die Spannung positiv ist. Hier kann ein Strom durch die angelegte Spannung fließen, denn die Diode ist hier in Durchlassrichtung geschaltet.
    2. Sperrbereich: Für Spannung im negativen Bereich fließt zunächst nur ein kleiner Sperrstrom. Wird nun die Durchbruchspannung überwunden, so schlägt die Diode durch. Dies ist gewissermaßen die Grenze zwischen dem Sperrgebiet und der Durchbruchzone.
    3. Durchbruchzone: Wird eine gewisse Spannung in Sperrrichtung überwunden, so schlägt die Diode durch und ist kaputt. Dann fließt jedoch wieder ein elektrischer Strom, denn die Diode stellt nun kein Hindernis mehr dar.
    Doch warum verläuft der Strom über der Spannung nun so, wie im Bild? Betrachten wir zunächst, ausgehend vom Ursprung des Koordinatensystems von $I$ über $U$ den positiven Bereich:
    • Zunächst fließt nur ein geringer Strom, was mit der anfangs geringen Spannung zu erklären ist. Überschreitet die Spannung einen bestimmten Grenzwert, die Schleusenspannung $U_s$, so steigt der Stromfluss stark an.
    • Betrachten wir den negativen Bereich. Hier ist die Diode nun also in Sperrrichtung geschaltet. Eine negative Spannung bedeutet, dass diese umgekehrt zu einer Vergleichsspannung im positiven Bereich gepolt ist. Nun muss der umgekehrten Spannung also ein ebenfalls entgegengesetzter Stromfluss folgen. Da die Diode in Sperrrichtung jedoch nur einen sehr geringen Sperrstrom durchlässt, ist der Ausschlag in der Kennlinie vorerst sehr gering.
    • Erst mit erreichen der kritischen Durchbruchsspannung $U_{Br}$ fließt ein größerer Strom. Das ist damit zu erklären, dass die Diode, bei ihrem Durchbruch zerstört wird und nun nicht mehr über einen Sperrmechanismus verfügt. So kann der Strom das Bauteil nach Durchbruch der Diode auch in Sperrrichtung beinahe ungehindert durchfließen.

  • Gib an, ob eine p-Dotierung oder eine n-Dotierung vorliegt.

    Tipps

    Die Art der Dotierung hängt von der Hauptgruppe des verwendeten Dotierelementes ab.

    Silicium ist ein Element der 4. HG.

    Lösung

    Die Art der vorliegenden Dotierung hängt von der Hauptgruppe des verwendeten Dotierelementes ab.

    Wir wollen Silicium mit unterschiedlichen Elementen dotieren und analysieren, welche Art der Dotierung so entsteht. Da Silicium ein Element der 4. HG ist, können wir dieses mit Elementen der 3. und 5. HG dotieren.

    • Für Elemente der 3. HG bleibt dabei stets ein positives Loch im dotierten Silicium-Gitter zurück. Man spricht von p-dotiert. Elemente der 3. HG sind etwa Aluminium, Gallium oder Bor.
    • Wird Silicium mit einem Element der 5. HG wie etwa Arsen oder Phosphor dotiert, so bleibt ein freies Elektron oder ein negatives Loch in der Struktur übrig. Man spricht dann von n-dotiertem Silicium.
    • Für den Fall, dass wie das Silicium mit einem anderen Element der 4. HG dotieren, bleibt der angestrebte Effekt aus. Es werden dann keine positiven oder negativen Löcher erzeugt. Das ist auch ganz logisch, denn bei einer Dotierung eines Stoffes, der vier Valenzelektronen hat, mit einem Stoff, der ebenfalls vier Valenzelektronen besitzt, kann jedes Elektron eine Bindung eingehen. Es entsteht so ein homogenes, lochfreies Gitter.