Diode

Diode Übung

• Definiere die wichtigsten Bestandteile einer Diode.

  Tipps

  p- und n-Halbleiter entstehen, wenn ein Halbleiter dotiert wird. Dabei wird ein Fremdatom hinzugefügt.

  Rekombination nennt man den Vorgang, wenn sich die freien Elektronen mit den freien Defektelektronen in der Nähe der Berührungsfläche verbinden.

  Lösung

  Um p- und n-Halbleiter zu erzeugen, wird ein gewöhnlicher Halbleiter wie zum Beispiel Silizium dotiert. Dabei fügt man ein Fremdatom zu dem Halbleiter hinzu.

  Im Periodensystem der Elemente findest du die Halbleiter in der vierten Hauptgruppe. Beim Dotieren wird dann ein Element aus der dritten oder der fünften Hauptgruppe hinzugefügt. Diese unterscheiden sich darin, dass sie unterschiedlich viele Valenzelektronen haben. Ein Element hat immer so viele Valenzelektronen, wie die Zahl der Hauptgruppe angibt.
  Der Halbleiter hat vier Valenzelektronen. Beim Dotieren wird dem Halbleiter ein Atom hinzugefügt, welches entweder drei oder fünf Valenzelektronen hat.

  Beim Hinzufügen von Elementen aus der dritten Hauptgruppe fehlt deswegen ein Elektron zum Binden und es entsteht ein p-Halbleiter.
  Beim Hinzufügen von Elementen der fünften Hauptgruppe ist ein Elektron zu viel vorhanden. Dieses ist dann ein freies Elektron und es entsteht ein n-Halbleiter.

  Wenn man die Diode baut, dann fügt man einfach einen p- und einen n-Halbleiter zusammen. Dadurch entsteht zwangsweise ein Bereich, an dem sich die beiden Halbleiter berühren.
  Diesen Bereich nennt man p-n-Übergang.

  Wenn man die beiden Halbleiter zusammengefügt hat, dann befinden sich an der Berührungsfläche Defektelektronen und freie Elektronen nah aneinander. Die freien Elektronen wandern dann zu den Defektelektronen und besetzen diese.
  Das ist so wie Autos, die freie Parkplätze besetzen.
  In der Nähe des p-n-Übergangs entsteht dann eine Schicht, die keine Defektelektronen oder freien Elektronen mehr enthält. Diese Schicht wird Grenzschicht genannt und sie verringert die Leitfähigkeit der Diode.

• Beschrifte das Spannungs-Strom-Diagramm der Diode.

  Tipps

  Bei „negativen“ Spannungen im Diagramm fließt der Strom in die andere Richtung.

  Dioden lassen Strom nur in eine Richtung hindurch.

  Im Spannungs-Strom-Diagramm wird die Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung angegeben. Man gibt unterschiedliche Spannungen vor und misst die Stromstärke. Wie bei einer mathematischen Funktion wird die Größe, die variiert wird, auf der x-Achse eingetragen.

  Lösung

  Man kann die $U$-$I$-Kennlinie einer Diode in einem Spannungs-Strom-Diagramm eintragen.
  Wenn man eine Funktion in ein Koordinatensystem eintragen würde, könnte man das auch als x-y-Diagramm bezeichnen.
  Auch die $U$-$I$-Kennlinie ist eine Funktion. Sie ist abhängig von der variablen Spannung und der Funktionswert entspräche dann der Stromstärke. Somit trägt man die Spannung in Richtung der x-Achse und die Stromstärke in Richtung der y-Achse ein.

  Im Experiment würde man die Spannung variieren und dann immer die entsprechende Stromstärke messen und in das Diagramm eintragen.

  Der negative Bereich im Koordinatensystem ist in Wirklichkeit nicht negativ. Das Vorzeichen zeigt nur an, in welche Richtung der Strom fließt.
  Es wird zuvor eine Richtung als positiv definiert und der elektrische Strom fließt dann in die andere Richtung, wenn das Vorzeichen negativ ist.
  Wie groß der Strom oder die Spannung ist, erkennt man an der Zahl. Das Vorzeichen ist dabei nicht wichtig.

  Eine Diode lässt nur in eine Richtung Strom durch. Diese Richtung nennt man die Durchlassrichtung. Bei der $U$-$I$-Kennlinie einer Diode wird die Durchlassrichtung als positiv definiert.

  Die andere Richtung nennt man Sperrrichtung, da die Diode in dieser Richtung den Weg für den Strom versperrt. Dies ist im Koordinatensystem dann der negative Bereich.

• Erkläre den Aufbau einer Diode

  Tipps

  Nur freie Elektronen können zu einem elektrischen Strom beitragen. Wie wirken die, die sich zuvor mit Defektelektronen verbunden haben?

  Es verbinden sich zuerst die Elektronen in der Nähe der Grenzschicht. Können die übrigen Elektronen diese Schicht durchdringen?

  Lösung

  Nachdem die Halbleiter zusammengefügt wurden, beginnen die Wechselwirkungen zwischen freien Elektronen und Defektelektronen zu wirken.
  Die Atome des Halbleiters streben immer nach einer vollständig besetzten Valenzschale. Da sich die Halbleiter im Periodensystem der Elemente in der vierten Hauptgruppe finden lassen, haben sie idealerweise vier Valenzelektronen.
  Deswegen besetzen die vorderen freien Elektronen die Defektelektronen in der Nähe des p-n-Übergangs.
  Man nennt diesen Vorgang Rekombination und es entsteht dabei eine Schicht, die Grenzschicht.

  Es sind in der Grenzschicht keine freien Elektronen und Defektelektronen mehr vorhanden und da nur freie Elektronen zu einem elektrischen Strom beitragen können, wirkt sie isolierend.

  Wegen der Grenzschicht können sich die übrigen freien Elektronen nicht mehr mit den Defektelektronen auf der anderen Seite verbinden. Dann würde die Diode immer eine Isolator sein.

  Da dies nicht so ist, kann man die Diode technisch nutzen.
  Je nachdem in welche Richtung eine Spannung angelegt wird, kann die Diode als Isolator oder als Leiter genutzt werden.

• Erkläre die Funktionsweise einer Diode.

  Tipps

  Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab.

  Im p-Leiter findest du freie Defektelektronen und im n-Leiter freie Elektronen. In welche Richtung bewegen sie sich dann jeweils?

  Lösung

  Im p-Halbleiter befinden sich Defektelektronen und im n-Halbleiter befinden sich freie Elektronen.
  Defektelektronen sind positiv geladen und Elektronen negativ.

  • Wenn der Pluspol an den p-Halbleiter angeschlossen wird und der Minuspol an den n-Halbleiter, dann befindet sich der Pluspol an den positiven Ladungen, andersherum am Minuspol. Da sich gleichnamige Ladungen abstoßen, bewegen sich Elektronen und Defektelektronen zur Grenzschicht. Zuerst kommen sie noch nicht durch diese hindurch. Sobald die Schwellspannung anliegt, können sie die Grenzschicht durchdringen. Die Elektronen können dann ungehindert vom Minus- zum Pluspol fließen und es fließt ein elektrischer Strom.

  • Wenn der Pluspol an den n-Halbleiter und der Minuspol an den p-Halbleiter angeschlossen wird, dann befindet sich der Pluspol an den freien Elektronen. Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an. Deswegen wandern die Elektronen und die Defektelektronen jeweils zu den Polen. Da dazwischen nun keine freien Elektronen oder Defektelektronen mehr vorhanden sind, hat sich die Grenzschicht vergrößert. Die Diode ist nun ein Isolator, da in der Grenzschicht keine Elektronen sind, die zu einem elektrischen Strom beitragen können.

• Bestimme die $U$-$I$-Kennlinie einer Diode.

  Tipps

  Die Kennlinie einer Diode wird in ein Spannungs-Strom-Diagramm eingetragen. Was heißt das für die Benennung der Achsen?

  Bei negativer Spannung fließt der Strom in die andere Richtung.

  Eine Diode lässt nur in eine Richtung Strom durch.

  Lösung

  Wenn man die $U$-$I$-Kennlinie von etwas aufzeichnen möchte, dann benötigt man dafür ein Spannungs-Strom-Diagramm. Das heißt, auf der x-Achse des Koordinatensystems wird die Spannung $U$ eingetragen und auf der y-Achse die Stromstärke $I$.

  Die negativen Seiten der Koordinatenachsen bedeuten, dass die Spannung andersherum angelegt wird. Es fließt dann auch der Strom in die andere Richtung.

  Die Diode lässt den Strom nur in eine Richtung hindurch. Diese wird auf der positiven Seite des Koordinatensystems definiert. Deswegen ist der elektrische Strom im Diagramm bei „negativen“ Spannungen null. Man sagt, in diesem Bereich ist die Diode in Sperrrichtung gepolt.

  Bei geringen Spannungswerten kann wegen der isolierenden Grenzschicht noch kein Strom fließen. Sobald die Spannung höher ist als die Schwellspannung, fließt ein sehr stark ansteigender elektrischer Strom. In diesem Bereich des Graphen ist die Diode in Durchlassrichtung gepolt.

• Begründe, warum bei einer Lichtemitterdiode (LED) Licht abgegeben wird.

  Tipps

  Die freien Elektronen befinden sich im n-Halbleiter und die Defektelektronen im p-Halbleiter.

  Wie beim Schalenmodell haben die Elektronen, die sich auf den äußeren Schalen befinden, eine höhere Energie als die, die sich im Inneren befinden. Ungebundene Elektronen haben eine noch höhere Energie.

  Elektronen können ihre Energie nur stufenweise variieren. Wenn sie in ein niedrigeres Energieniveau fallen, geben sie dabei Energie ab.

  Wenn eine Diode in Durchlassrichtung betrieben wird, wird der Pluspol der Spannungsquelle an dem p-Halbleiter und der Minuspol an dem n-Halbleiter angeschlossen.

  Lösung

  Die Diode wird in Durchlassrichtung betrieben. Deswegen wird der Minuspol der Spannungsquelle am n-Halbleiter angeschlossen und der Pluspol am p-Halbleiter.
  Im n-Halbleiter befinden sich die freien Elektronen und im p-Halbleiter die Defektelektronen.

  Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Deswegen bewegen sich die freien Elektronen zur Grenzschicht.
  Die Defektelektronen bewegen sich in Wirklichkeit nicht. Da der Pluspol der Spannungsquelle in ihrer Nähe liegt, werden Elektronen angezogen. Wenn sich ein Elektron von einem Atom löst, dann verbindet es sich mit einem Defektelektron. Dieses ist nun nicht mehr vorhanden. Dafür ist dort, wo sich das Elektron gelöst hat, ein Defektelektron entstanden.
  Es sieht aus, als wäre das Defektelektron gewandert.

  Ein freies Elektron hat mehr Energie als ein gebundenes. Wenn sich nun ein Defektelektron und ein freies Elektron rekombinieren, dann muss das Elektron zu einem Zustand niedrigerer Energie zurückkehren.
  Elektronen können ihre Energie nur sprungweise verändern, deswegen gibt es einen Teil seiner Energie ab. Dies geschieht in Form von Licht.