Eigenschaften und Bauformen (Bild 9.25). In Germanium- und Siliziumdioden - stehen sich Halbleiter und Metallspitze oder auch Halbleiter verschiedenen Leitungstyps gegenüber. In der trennenden Inversionsschicht tritt je nach der Polarität der anliegenden Spannung eine Verarmung an Ladungsträgere oder ein Gegeneinanderwandern derselben ein. Dadurch und durch die Höhe der anliegenden Spannung ergibt sich der jeweilige Widerstandswert der Inversionsschicht.
Die Germaniumdiode hat gegenüber dem Kupferoxidul- und dem Selengleichrichter wesentliche Vorteile. Ihre Sperrspannung übertrifft die des Kupferoxidul- und Selengleichrichters bei weitem. Für Flächendioden werden Werte bis zu 500 V und mehr angegeben. Nachteilig gegenüber dem Selengleichrichter ist allerdings die wesentlich höhere auf die Fläche bezogene Sperrverlustleistung. Durch die bei Selengleichrichtern notwendige Reihenschaltung von mehreren Gleichrichterelementen verteilt sich die frei werdende Wärme auf eine größere Fläche und lässt sich wesentlich leichter abführen. Wegen der großen Wärmeempfindlichkeit des Germaniums lassen sich die vorstehend genannten extrem hohen Sperrspannungen der Germaniumdiode nur ausnutzen, wenn Impulsbetrieb vorliegt oder Kühlbleche zur wirksamen Wärmeabführung vorgesehen werden.
Durch die Wärmeempfindlichkeit wird die Strombelastbarkeit begrenzt. Die Kontaktstelle einer Spitzendiode hat einen Durchmesser von etwa 10...15 nm. Eine Belastung mit 50 mA entspricht einer Stromdichte von etwa 5 - 105 A/cm2 !
Die Umgebungstemperatur hat auf den Kennlinienverlauf wesentlichen Einfluss. Sowohl der Sperr- als auch der Durchlasswiderstand nehmen bei steigender Temperatur wegen des negativen Temperaturkoeffizienten ab. Die Verluste in Durchlassrichtung sind weit weniger temperaturabhängig als die in Sperrrichtung. Germaniumdioden ertragen maximale Betriebstemperaturen von etwa 75 °C bei verminderter Spanrungsbelastung in Sperrrichtung.

Untersuchen Sie experimentell das Verhalten der Halbleiterdiode in Abhängigkeit von der Polarität der angelegten Spannung! Ergebnis: Je nach Richtung des von außen angelegten elektrischen Feldes hat die Halbleiterdiode Eigenschaften eines kleinen oder großen Widerstandes.
Liegt am n-Gebiet der positive Pol, am p-Gebiet der negative Pol, so fließt ein sehr kleiner Strom, der Sperrstrom. Die Diode ist in Sperrrichtung gepolt. Liegt am n-Gebiet der negative Pol, am p-Gebiet der positive Pol, so fließt ein größerer Strom, der Durchlassstrom. Die Diode ist in Durchlassrichtung gepolt. Eine Halbleiterdiode hat somit die Eigenschaften eines Gleichrichters (Ventilwirkung). 
Die Ventilwirkung von Halbleiterdioden beruht auf den Gesetzmäßigkeiten der Leitungsvorgänge in Halbleitern Dabei ist zu beachten, dass bei einer Halbleiterdiode Materialien unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps aufeinander treffen (siehe dazu Bilder unten).
Die Grenzschicht zwischen p- und n-leitendem Halbleitermaterial nennt man pn-Übergang. Bei Temperaturen T > 0 K sind die freibeweglichen Ladungsträger (Elektronen, Löcher) in ständiger Bewegung. Dabei wandern Elektronen in das p-Gebiet, Defektelektronen in das n-Gebiet. Dieser Vorgang heißt Ladungsträgerdiffusion.

pn-Übergang ohne äußere Spannung

pn-Übergang mit äußerer Spannung

Mit der Diffusion von Ladungsträgern sind zwei Erscheinungen verbunden: Elektronen und Defektelektronen vereinigen sich (Rekombination), damit sind in der Grenzschicht praktisch keine Ladungsträger mehr vorhanden. Durch Abwandern von Ladungen (Diffusion) ist das Ladungsgleichgewicht zwischen ortsfesten Ladungen und freibeweglichen Ladungsträgern gestört. Im n-Gebiet überwiegen die positiven Ladungen der ortsfesten Fremdionen, im p-Gebiet überwiegen auf Grund der verringerten Löcherzahl die negativen Ladungen. Am pn-Übergang hat sich ein elektrisches Feld gebildet, das einem weiteren Diffundieren von Ladungsträgern entgegenwirkt. Damit weitere Ladungsträger den pn-Übergang passieren können, muss die Wirkung dieses Diffusionsfeldes durch eine von außen angelegte Spannung aufgehoben werden. Überprüfen Sie experimentell folgende Hypothese:

Bei Spannungen, die kleiner als die Diffusionsspannung sind, sperrt eine Halbleiterdiode unabhängig von ihrer Polung. Verwenden Sie eine Si-Diode!

Versuchsanordnung zur Kennlinien-Aufnahme

Vorbetrachtung

Das Ergebnis von Experiment 1 und die Hypothese lassen sich nur unter der Annahme verstehen, dass die verwendete Spannung wesentlich größer als die Diffusionsspannung ist. 
Es ist also das Verhalten der Halbleiterdiode in einem Spannungsbereich OV ;g U:-5 1V zu untersuchen. Beachten Sie, dass der Effekt möglicherweise durch die Eigenleitung verdeckt wird, wählen Sie gegebenenfalls eine andere Diode aus!

Durchführung

1. Entwerfen Sie eine Schaltung mit der es möglich ist, Spannungen im Bereich 0 <= U <= 1 V bereitzustellen!

2. Achten Sie auf stromrichtige Messung!

3. Vergleichen Sie die von Ihnen entwickelte Schaltung mit einem vorgegebenen Schaltplan! (T [11, E 40) .

4. Diskutieren Sie ihre Schaltungsvorschläge im Kollektiv!

Ergebnis

Legt man an das n-Gebiet (Katode) einer Halbleiterdiode den negativen Pol und an das p-Gebiet (Anode) den positiven Pol einer Spannungsquelle, so ist die Diode in Durchlassrichtung gepolt. Der Durchlassstrom steigt erst dann stark an, wenn das von der angelegten Spannung erzeugte elektrische Feld das Diffusionsfeld in seiner Wirkung aufhebt. Dadurch können weitere Ladungsträger in den pn-Übergang eindringen, es fließt ein Strom (T Bild 43/1). Die für den Stromfluss erforderliche Spannung (Diffusionsspannung) ist gerade so groß, dass sie das Diffusionsfeld aufhebt. Sie beträgt bei Germaniumdioden'etwa 0,4 V, bei Siliziumdioden etwa 0,7 V. In Sperrichtung sind die Ströme sehr gering. Bei Ge-Dioden liegen sie in der Größenordnung von 1 mA, bei Si-Dioden sind sie nicht selten kleiner als 1 w A.
Die Ursache für diese kleinen Stromwerte liegt in der Ausbildung eines ladungsträgerfreien Gebietes (unten).
Durch das äußere elektrische Feld werden alle noch vorhandenen Ladungsträger aus dem pn-Gebieten abgezogen. Das pn-Gebiet besitzt somit die Eigenschaft eines Isolators. Der trotz Sperrichtung fließende Sperrstrom hat seine Ursache in der Eigenleitung. Wird bei einer in Sperrichtung gepolten Diode die angelegte Spannung ständig erhöht, so beginnt beim Erreichen der maximalen Sperrspannung ein stärkerer Strom zufließen, dabei kann die Diode ihre Sperrwirkung für immer verlieren.
Z-Dioden werden im Bereich dieses Sperrstromes betrieben, schaltungstechnische Maßnahmen verhindern eine Zerstörung. Einen vollständigen Überblick über den Zusammenhang von Spannung und Stromstärke bei einer Halbleiterdiode erhält man durch das Funktionsbild I = f(U), die Kennlinie einer Halbleiterdiode (Bilder unten).

Stromrichtungsabhängigkeit der Diode

Gleichrichterwirkung der Graetz-Brücke

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehemn ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist