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Grundlagen zur Diode und geschichtlicher Hintergrund

Geschichte einer Diode

Unten haben wir einen Teil der Geschichte der Dioden und ihre Funktionsprinzipien zusammengestellt. Wenn Sie dies für notwendig halten, können Sie sich diese Informationen ansehen, um Ihr Gedächtnis aufzufrischen. „Das weiß ich doch schon!" werden einige von Ihnen sagen. Prima, dann können Sie diesen Bereich ja überspringen. Bevor wir uns einige der Eigenschaften und Grundlagen von Dioden ansehen, sprechen wir zunächst über den Edison-Effekt. Der Edison-Effekt tritt dann auf, wenn Elektronen in einem Vakuum von einem aufgeheizten Element zu einer kühleren Metallplatte fließen. Als Edison dies entdeckte, war ihm der Nutzen seiner Entdeckung nicht klar, doch hat er sie dennoch patentieren lassen. Edison hat alles, was er entdeckt hat, patentieren lassen. Um diesen Effekt heutzutage zu beschreiben, verwendet man die Bezeichnung „Glühemission". Dieser Edison-Effekt besitzt allerdings ein interessantes Merkmal. Die Elektronen fließen nur in eine Richtung. Nämlich nur vom heißen Element zur kühlen Platte - niemals umgekehrt. So wie z.B. Wasser durch ein Rückschlagventil - nur als Vergleich. Und Geräte, in denen Elektrizität nur in eine Richtung fließen kann, nennt man Dioden.

Vor der Vakuumröhre...

Korrektureigenschaften und der Edison-Effekt wurden in der zweipoligen Vakuumröhre 1884 entdeckt. Tatsächlich wurde der korrigierende Effekt von Selen bereits acht Jahre vorher, im Jahr 1876, entdeckt. Wie Sie sehen können, reicht die Geschichte der Nutzung der Eigenschaften von Halbleitern zur Schaffung von Dioden mit korrigierenden Effekten schon weit zurück. Es mag schwer zu glauben sein, aber die Geschichte von Halbleitern ist sogar schon älter als die der Vakuumröhre!

Von Germanium zu Silizium

Die ersten primitiven Dioden wie der Selengleichrichter oder die Kristalldetektoren wurden in Eisenpyrit und Bleierz und anderen natürlichen Kupferoxiden (polykristalline Halbleiter) verwendet. Mit dem Fortschritt der Veredelungstechniken folgte das Zeitalter, in dem hochgradig empfindliche, einzelne, kristalline Halbleiter mit Zuverlässigkeit produziert werden konnten - das Zeitalter von Germanium und Silizium. Später fand man heraus, dass Germanium einen geringen Widerstand gegenüber Wärme aufweist. Daher wird heutzutage ein Großteil aller Halbleiter mit Silizium hergestellt.

Gleichrichtung von der pn-Sperrschicht

Das Diodenelement besteht aus einer Struktur namens pn-Sperrschicht. Die Klemme, die am Halbleiter des P-Typs angebracht ist, wird Anode genannt, und die Klemme, die am Halbleiter des N-Typs angebracht ist, wird Kathode genannt. Strom kann von der Anode zur Kathode fließen, ein Fluss in die umgekehrte Richtung ist jedoch beinahe komplett unmöglich. Dieses Phänomen wird Gleichrichtung genannt. Das heißt, hier wird der Wechselstrom in einen unidirektionalen Strom umgewandelt.

Diodenmodell
Diodenmodell

Schematisches elektrisches Symbol für Dioden
Schematisches elektrisches Symbol für Dioden

Kurz gesagt, eine Diode ist ein Ventil!

Wenn Sie intuitiv ein Bild für die Wirkungen einer Diode aufrufen, können Sie diese „Ventil" nennen - ein Ventil für den elektrischen Strom. Wenn Sie sich den elektrischen Strom wie fließendes Wasser vorstellen, könnte die Anode stromaufwärts und die Kathode stromabwärts gelegen sein. Das Wasser (bzw. der elektrische Strom) fließt von stromaufwärts nach stromabwärts und das Ventil verhindert, dass er von stromabwärts nach stromaufwärts fließt. Dies ist der grundlegende Betrieb einer Diode.

Das Ventil ist geöffnet und die Elektrizität fließt (Vorwärtsrichtung)
●Das Ventil ist geöffnet und die Elektrizität fließt
(Vorwärtsrichtung)

Das Ventil ist geschlossen und keine Elektrizität fließt (Rückwärtsrichtung)
●Das Ventil ist geschlossen und keine Elektrizität fließt
(Rückwärtsrichtung)

Unterschiedliche Sperrschicht-Typen

Die aktuellen Typen an Sperrschichten in den Dioden von heute können in zwei Hauptklassifizierungen unterteilt werden: die pn-Sperrschicht und die Schottky-Barrieren-Sperrschicht. Bei der ersten handelt es sich um eine Halbleiter-an-Halbleiter-Sperrschicht. Diese Art von Sperrschicht lässt sich ferner in Diffusionstyp-Sperrschicht und Mesatyp-Sperrschicht klassifizieren. Letztere nutzt die Effekte, die zwischen einem Halbleiter und einem Metall verursacht werden, und wird daher in Bezug auf Dioden nicht wirklich Sperrschicht genannt. Zum leichteren Verständnis wird diese hier jedoch als Sperrschicht bezeichnet. Derzeit ist die Schottky-Barrieren-Diode für ihre geringen Leistungsanforderungen und hohen Geschwindigkeiten bekannt, und ROHM macht große Fortschritte mit seiner Reihe an Schottky-Barrieren-Dioden.

Durchlassspannungseigenschaften und Sperrvorspannungseigenschaften

Durchlassspannungseigenschaften und Sperrvorspannungseigenschaften

Eine Diode hat zwei Elektroden: die Anode und die Kathode. Bei der Anode handelt es sich um die (+) Klemme und bei der Kathode um die (-) Klemme. Die Eigenschaften der Diode, wenn Strom von der Anode zur Kathode fließt, werden Durchlassspannungseigenschaften genannt; VF und IF sind Beispiele für diese Eigenschaften. Wenn umgekehrt eine (-) Spannung auf die Anode und eine (+) Spannung auf die Kathode angewendet werden, wird verhindert, dass Strom durch die Diode fließt. Die Eigenschaften zu diesem Zeitpunkt werden Sperrvorspannungseigenschaften genannt; VR und IR sind Beispiele für diese Eigenschaften.