Was ist eine Diode und wie funktioniert sie?

Eine Diode ist ein elektronisches Bauelement, das elektrischen Strom nur in eine Richtung fließen lässt, nämlich durch seine beiden Anschlüsse (Anode und Kathode).

Im Idealfall können wir davon ausgehen, dass der Widerstand im ersten Fall gleich Null und im zweiten Fall unendlich ist.

Wir haben bei verschiedenen Gelegenheiten die verschiedenen Arten von Dioden und ihre Anwendungen besprochen, aber wir sind nicht im Detail darauf eingegangen, wie diese elektronischen Bauelemente funktionieren oder welche anderen Arten neben den LEDs existieren.

Die Halbleiterdiode

Obwohl es mehrere Arten von Dioden gibt, bezieht sich dieser Begriff in der Regel auf die Halbleiterdiode, die am weitesten verbreitet ist. Ein weiterer Typ ist die thermionische Diode, die auf Vakuumventilen und der Erzeugung von Elektronen in einem einzigen Anschluss durch den Jouleschen Effekt beruht, auf die hier aber nicht näher eingegangen werden muss.

Wir werden uns auf die Untersuchung von Festkörperdioden (Halbleiterdioden) konzentrieren, da sie die technologische Grundlage der LED-Beleuchtung bilden. Wir werden jedoch nicht in die Tiefe der wissenschaftlichen Grundlagen dieser Technologie gehen, um die Lektüre zu erleichtern.

Bei diesem Diodentyp handelt es sich meist um einen Übergang aus zwei Halbleitermaterialien mit besonderen Eigenschaften (p-n-Übergang). Eines der Materialien (n-Typ) ist ein negativ geladener Bereich (Elektronen). Der andere (p-Typ) ist positiv geladen (Löcher).

pn-Übergang einer Diode
pn-Übergang einer Diode

Symbol der Diode

Das elektrische Symbol der Diode ist ein gleichseitiges Dreieck mit einer Linie, die durch eine der Spitzen in gleicher Länge und parallel zur gegenüberliegenden Seite verläuft. Seine Form ähnelt der eines Pfeils.

Symbol der Diode
Elektronisches Symbol der Diode

Interessanterweise ist die Richtung, in die das Symbol zeigt, die entgegengesetzte Richtung, in die sich der Strom bewegt.

Der Übergang zwischen diesen beiden Bereichen bestimmt das Verhalten der Diode. Außerdem ist in jedem dieser Bereiche jeder Anschluss des Endgerätes angeschlossen.

Wie funktioniert eine Diode?

Wie wir soeben gesehen haben, ist es die Art und Weise, wie dieses Gerät aufgebaut ist, die seine Funktionsweise bestimmt. Generell kann man sagen, dass sich eine Diode auf zwei Arten verhält:

  • Wie ein Kurzschluss, der den Strom durchlässt (direkte Polarisierung).
  • Als offener Stromkreis, der den Durchgang von Strom verhindert (umgekehrte Polarisierung).

Verschiedene Diodentypen können je nach Polarisierung ein einzigartiges Verhalten zeigen, so dass sie, wie wir weiter unten sehen werden, in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können.

Diodenarten

Es gibt eine Vielzahl verschiedener Dioden mit besonderen Eigenschaften, die von ihrem Aussehen, ihren Materialien, Verunreinigungen usw. abhängen. Diese Dioden werden in sehr speziellen Anwendungen eingesetzt.

Einige der gebräuchlichsten, auf die wir näher eingehen werden, sind: die Laserdiode, der Gunn, der Varicap und natürlich die LED.

Gunn-Diode

Gunn-Diode
Gunn-Diode

Sie werden in der Hochfrequenzelektronik eingesetzt und zeichnen sich unter bestimmten Bedingungen durch einen negativen Widerstand aus. Gunn-Dioden werden für den Bau von Mikrowellenoszillatoren verwendet.

Je nach den verwendeten Materialien können Schwingungsfrequenzen von über 10 GHz erreicht werden, und mit Galliumnitriddioden sind bis zu 3 THz möglich.

Varicap- oder Varactor-Diode

Sie sind so konstruiert, dass sie sich bei umgekehrter Polarisierung wie ein Drehkondensator mit einer von der angelegten Spannung abhängigen Kapazität verhalten.

Sie werden in abgestimmten Schaltkreisen verwendet, wo Kapazitätsänderungen unerlässlich sind.

Varactor
Varactor

LED Diode

SMD LED-Chip
SMD LED-Chip

Sie zeichnen sich dadurch aus, dass durch Rekombinationen von Ladungsträgern Photonen entstehen, also die Elementarteilchen, aus denen Licht besteht.

Wie wir bereits erwähnt haben, gibt es verschiedene Arten von LEDs, die die Grundlage moderner Beleuchtungssysteme bilden.

Laser-Diode

Ähnlich wie bei LEDs ist dieser Diodentyp die häufigste Art, einen Laser zu erzeugen. Sie werden in vielen Bereichen eingesetzt, z. B. in der Glasfaserkommunikation, bei Zeigern, Druckern oder Strichcodelesern, um nur einige zu nennen.

Laser-Diode
Laser-Diode

Zener-Diode

Zener-Diode und ihr Symbol
Zener-Diode und ihr Symbol

Eine Zener-Diode ist für eine Sperrvorspannung ausgelegt. Anstatt den Stromfluss wie eine herkömmliche Diode zu unterbrechen, beginnt sie bei Erreichen einer bestimmten Spannung in umgekehrter Richtung zu leiten. Der Punkt, an dem sich diese Spannung stabilisiert, wird oft als Zenerspannung bezeichnet.

Diese Art von Halbleiterdiode ist ein wesentlicher Bestandteil von Konstantspannungsreglern.

Schottky-Diode

Die Schottky-Diode ist nach dem deutschen Physiker Walter H. Schottky benannt. Seine Haupteigenschaft besteht darin, dass er sehr schnell vom abgeschalteten in den leitenden Zustand übergehen kann.

Wird in integrierten Schaltungen verwendet, wo hohe Schaltgeschwindigkeiten erforderlich sind.

Schottky-Diode
Schottky-Diode

Shockley-Diode

Shockley-Diode
Shockley-Diode

Die Shockley-Diode unterscheidet sich von früheren Dioden dadurch, dass sie vier statt zwei alternierende Schichten aus P- und N-Halbleitern enthält. Sie werden in digitalen Anwendungen wie Zählern und Zeitschaltungen eingesetzt.

Er hat sogar eine Statue in Mountain View, Kalifornien, vor dem Gebäude der Shockley Semiconductor Laboratories.

Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten von Dioden

Wie wir gesehen haben, sind die Anwendungen je nach Diodentyp sehr vielfältig und reichen von der Beleuchtung über Radio-Demodulatoren und Überspannungsschutz bis hin zu logische Verknüpfungen (unverzichtbares elektronisches Bauelement bei der Herstellung von Mikrochips), aber am häufigsten werden sie in Stromversorgungen eingesetzt, wo sie als Einweggleichrichter fungieren.

Wellen-Brückengleichrichter

Zu den gebräuchlichsten Brückengleichrichtern gehören die Einweg- und die Vollweg-Brückengleichrichter. Ein Einweggleichrichter eliminiert den negativen Teil des Wechselstroms.

Ein Vollwellengleichrichter wiederum wandelt den negativen Teil des Stroms in einen positiven um.

Gleichgerichtete Welle
Gleichgerichtete Welle

Graetz-Brücke

Graetz-Diodenbrücke
Graetz-Diodenbrücke

Eine sehr gebräuchliche Konfiguration besteht aus vier Dioden und wird als Graetz-Brücke oder Zweiweg-Brückengleichrichter bezeichnet. Diodenbrücken dieses Typs sind z. B. in Gleichstromversorgungen sehr verbreitet.

Wie wir sehen können, sind Dioden Bauelemente mit einer Vielzahl von Anwendungen und mehr als wir denken in allen Arten von alltäglichen Geräten, von Glühbirnen bis hin zu Blu-Ray-Playern, vorhanden.