Diode

Thermionische Diode ⓘ
	Eine Hochleistungs-Vakuumdiode, die in Funkgeräten als Gleichrichter verwendet wird.
Typ	Thermionische
Pin-Konfiguration	Platte und Kathode, Heizer (bei indirekter Beheizung)
Elektronisches Symbol
	; Das Symbol für eine indirekt geheizte Vakuumröhrendiode. Von oben nach unten lauten die Elementnamen: Platte, Kathode und Heizer.

Diode ⓘ
	Nahaufnahme einer Siliziumdiode. Die Anode befindet sich auf der rechten Seite, die Kathode auf der linken Seite (wo sie mit einem schwarzen Band markiert ist). Zwischen den beiden Anschlüssen ist der quadratische Siliziumkristall zu sehen.
Typ	Passiv
Pin-Konfiguration	Anode und Kathode
Elektronisches Symbol

Verschiedene Halbleiterdioden. Unten: Ein Brückengleichrichter. Bei den meisten Dioden kennzeichnet ein weißes oder schwarzes Band die Kathode, in die die Elektronen fließen, wenn die Diode leitend ist. Der Elektronenfluss ist die Umkehrung des herkömmlichen Stromflusses. ⓘ

Aufbau einer Vakuumröhrendiode. Der Glühfaden selbst kann die Kathode sein, oder er wird (wie hier gezeigt) zur Beheizung einer separaten Metallröhre verwendet, die als Kathode dient. ⓘ

Eine Diode ist ein elektronisches Bauteil mit zwei Anschlüssen, das den Strom hauptsächlich in eine Richtung leitet (asymmetrischer Leitwert); sie hat einen geringen (im Idealfall null) Widerstand in einer Richtung und einen hohen (im Idealfall unendlichen) Widerstand in der anderen. ⓘ

Eine Dioden-Vakuumröhre oder thermionische Diode ist eine Vakuumröhre mit zwei Elektroden, einer beheizten Kathode und einer Platte, in der Elektronen nur in eine Richtung fließen können, von der Kathode zur Platte. ⓘ

Eine Halbleiterdiode, der heute am häufigsten verwendete Typ, ist ein kristallines Stück Halbleitermaterial mit einem p-n-Übergang, der mit zwei elektrischen Anschlüssen verbunden ist. Halbleiterdioden waren die ersten elektronischen Halbleiterbauelemente. Die Entdeckung der asymmetrischen elektrischen Leitung über den Kontakt zwischen einem kristallinen Mineral und einem Metall wurde von dem deutschen Physiker Ferdinand Braun im Jahr 1874 gemacht. Heute werden die meisten Dioden aus Silizium hergestellt, aber auch andere Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid und Germanium werden verwendet. ⓘ

Dioden werden u. a. in Gleichrichtern zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und zur Demodulation in Rundfunkempfängern eingesetzt und können sogar als Temperatursensoren verwendet werden. Eine gängige Variante der Diode ist die Leuchtdiode, die zur elektrischen Beleuchtung und als Statusanzeige in elektronischen Geräten verwendet wird. Dioden können mit anderen Bauteilen kombiniert werden, um logische Gatter zu bilden. ⓘ

Schaltzeichen einer Diode und Abbildungen üblicher Gehäuse mit Markierung der Kathode. Kennzeichnung der positiven (+) und negativen (−) Seite bei Beschaltung in Durchlassrichtung. ⓘ

Auswirkung einer Diode je nach Richtung ⓘ

(Gleichrichter-)Dioden in verschiedenen Bauformen ⓘ

Eine Diode ist ein elektronisches Bauelement, das Strom in einer Richtung passieren lässt und in der anderen Richtung den Stromfluss sperrt. Daher wird von Durchlassrichtung und Sperrrichtung gesprochen. Entdeckt wurde das Verhalten 1874 von Ferdinand Braun an Punktkontakten auf Bleisulfid (Galenit). ⓘ

Die Bezeichnung Diode wird üblicherweise für Halbleiterdioden verwendet, die mit einem p-n-Übergang oder einem gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Übergang (Schottky-Kontakt) arbeiten. In der Halbleitertechnik bezieht sich der Begriff Diode nur auf Siliziumdioden mit p-n-Übergang, während andere Varianten durch Namenszusätze gekennzeichnet werden, beispielsweise Schottky-Diode oder Germaniumdiode. Veraltet sind Bezeichnungen wie Ventilzellen, die bis Mitte des 20. Jahrhunderts in der damals neu entstandenen Halbleitertechnik für Dioden gebraucht wurden und auf die analoge Funktion eines mechanischen Ventils zurückgehen. ⓘ

Dioden werden unter anderem zur Gleichrichtung, der Umwandlung von Wechselspannung zu Gleichspannung, eingesetzt. Daneben zeigt der Halbleiterübergang weitere nutzbare Eigenschaften, die z. B. in Zener-, Photo-, Leuchtdioden und Halbleiterdetektoren ausgenutzt werden. ⓘ

Wichtigste Funktionen

Die häufigste Funktion einer Diode besteht darin, einen elektrischen Strom in eine Richtung fließen zu lassen (die sogenannte Durchlassrichtung der Diode), während sie ihn in die entgegengesetzte Richtung sperrt (die Sperrrichtung). Somit kann die Diode als elektronische Version eines Rückschlagventils betrachtet werden. Dieses unidirektionale Verhalten wird als Gleichrichtung bezeichnet und dient der Umwandlung von Wechselstrom (ac) in Gleichstrom (dc). Als Gleichrichter können Dioden für Aufgaben wie die Extraktion von Modulationen aus Funksignalen in Funkempfängern verwendet werden. ⓘ

Dioden können jedoch aufgrund ihrer nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinien ein komplizierteres Verhalten aufweisen als dieses einfache Ein-Aus-Verhalten. Der Spannungsabfall einer Diode in Durchlassrichtung variiert beispielsweise nur wenig mit dem Strom und ist vielmehr eine Funktion der Temperatur; dieser Effekt kann als Temperatursensor oder als Spannungsreferenz genutzt werden. Der hohe Widerstand der Diode gegenüber dem in Sperrrichtung fließenden Strom fällt plötzlich auf einen niedrigen Widerstand ab, wenn die Sperrspannung an der Diode einen Wert erreicht, der als Durchbruchspannung bezeichnet wird. Halbleiterdioden in Durchlassrichtung müssen ebenfalls eine Schwellenspannung, die sogenannte Einschaltspannung, überschreiten, bevor sie Strom leiten können. ⓘ

Die Strom-Spannungs-Charakteristik einer Halbleiterdiode kann durch die Auswahl der Halbleitermaterialien und der bei der Herstellung in die Materialien eingebrachten Dotierverunreinigungen maßgeschneidert werden. Diese Techniken werden eingesetzt, um spezielle Dioden zu schaffen, die viele verschiedene Funktionen erfüllen. So werden Dioden beispielsweise zur Spannungsregelung (Zener-Dioden), zum Schutz von Schaltkreisen vor hohen Spannungsstößen (Avalanche-Dioden), zur elektronischen Abstimmung von Radio- und Fernsehempfängern (Varactor-Dioden), zur Erzeugung von Hochfrequenzschwingungen (Tunneldioden, Gunn-Dioden, IMPATT-Dioden) und zur Lichterzeugung (Leuchtdioden) eingesetzt. Tunnel-, Gunn- und IMPATT-Dioden weisen einen negativen Widerstand auf, der in Mikrowellen- und Schaltkreisen nützlich ist. ⓘ

Dioden, sowohl Vakuum- als auch Halbleiterdioden, können als Rauschgeneratoren verwendet werden. ⓘ

Geschichte

Thermionische (Vakuumröhren-) Dioden und Festkörperdioden (Halbleiterdioden) wurden Anfang des 20. Jahrhunderts etwa zur gleichen Zeit getrennt voneinander als Detektoren für Funkempfänger entwickelt. Bis in die 1950er Jahre wurden in Radios häufiger Vakuumdioden verwendet, da die frühen Punktkontakt-Halbleiterdioden weniger stabil waren. Außerdem verfügten die meisten Empfangsgeräte über Vakuumröhren zur Verstärkung, in die die thermionischen Dioden problemlos eingebaut werden konnten (z. B. die 12SQ7-Doppeltriode), und Vakuumröhrengleichrichter und gasgefüllte Gleichrichter konnten einige Hochspannungs-/Hochstrom-Gleichrichtungsaufgaben besser bewältigen als die damals verfügbaren Halbleiterdioden (z. B. Selengleichrichter). ⓘ

1873 beobachtete Frederick Guthrie, dass eine geerdete, weißglühende Metallkugel, die in die Nähe eines Elektroskops gebracht wurde, ein positiv geladenes Elektroskop entlud, nicht aber ein negativ geladenes Elektroskop. Im Jahr 1880 beobachtete Thomas Edison einen unidirektionalen Strom zwischen beheizten und unbeheizten Elementen in einer Glühbirne, der später als Edison-Effekt bezeichnet wurde, und erhielt ein Patent auf die Anwendung des Phänomens in einem Gleichspannungsmesser. Etwa 20 Jahre später erkannte John Ambrose Fleming (wissenschaftlicher Berater der Marconi Company und ehemaliger Mitarbeiter von Edison), dass der Edison-Effekt auch als Radiodetektor verwendet werden könnte. Fleming ließ die erste echte thermionische Diode, das Fleming-Ventil, am 16. November 1904 in Großbritannien patentieren (gefolgt vom US-Patent 803.684 im November 1905). Während der gesamten Ära der Vakuumröhren wurden Röhrendioden in fast allen elektronischen Geräten wie Radios, Fernsehern, Tonanlagen und Instrumenten verwendet. Ab den späten 1940er Jahren verloren sie aufgrund der Selen-Gleichrichtertechnologie und in den 1960er Jahren aufgrund von Halbleiterdioden langsam an Marktanteil. Heute werden sie noch in einigen wenigen Hochleistungsanwendungen eingesetzt, wo ihre Fähigkeit, transienten Spannungen zu widerstehen, und ihre Robustheit ihnen einen Vorteil gegenüber Halbleiterbauelementen verschaffen, sowie in Musikinstrumenten und audiophilen Anwendungen. ⓘ

Im Jahr 1874 entdeckte der deutsche Wissenschaftler Karl Ferdinand Braun die "einseitige Leitung" über einen Kontakt zwischen einem Metall und einem Mineral. Der indische Wissenschaftler Jagadish Chandra Bose war der erste, der 1894 einen Kristall zur Erkennung von Radiowellen verwendete. Der Kristalldetektor wurde von Greenleaf Whittier Pickard, der 1903 einen Siliziumkristalldetektor erfand und am 20. November 1906 ein Patent dafür erhielt, zu einem praktischen Gerät für die drahtlose Telegrafie weiterentwickelt. Andere Experimentatoren versuchten sich an einer Vielzahl anderer Mineralien als Detektoren. Die Halbleiterprinzipien waren den Entwicklern dieser frühen Gleichrichter noch unbekannt. In den 1930er Jahren machte das Verständnis der Physik Fortschritte, und Mitte der 1930er Jahre erkannten die Forscher der Bell Telephone Laboratories das Potenzial des Kristalldetektors für die Anwendung in der Mikrowellentechnik. Forscher in den Bell Labs, bei Western Electric, am MIT, in Purdue und im Vereinigten Königreich entwickelten während des Zweiten Weltkriegs intensiv Punktkontaktdioden (Kristallgleichrichter oder Kristalldioden) für den Einsatz im Radar. Nach dem Zweiten Weltkrieg verwendete AT&T diese Dioden in seinen Mikrowellentürmen, die die Vereinigten Staaten durchzogen, und viele Radargeräte verwenden sie noch im 21. Im Jahr 1946 begann Sylvania, die Kristalldiode 1N34 anzubieten. In den frühen 1950er Jahren wurden Sperrschichtdioden entwickelt. ⓘ

Etymologie

Zur Zeit ihrer Erfindung wurden die asymmetrisch leitenden Bauelemente als Gleichrichter bezeichnet. Im Jahr 1919, dem Jahr der Erfindung der Tetroden, prägte William Henry Eccles den Begriff Diode aus den griechischen Wurzeln di (von δί), was "zwei" bedeutet, und ode (von οδός), was "Weg" bedeutet. Das Wort Diode, aber auch Triode, Tetrode, Pentode, Hexode waren bereits als Begriffe der Multiplex-Telegrafie in Gebrauch. ⓘ

Obwohl alle Dioden gleichrichten, wird der Begriff Gleichrichter gewöhnlich für Dioden verwendet, die für die Stromversorgung bestimmt sind, um sie von Dioden für Kleinsignalschaltungen zu unterscheiden. ⓘ

Dioden für Vakuumröhren

Eine thermionische Diode ist ein Gerät mit einem thermionischen Ventil, das aus einer versiegelten, evakuierten Glas- oder Metallhülle besteht, die zwei Elektroden enthält: eine Kathode und eine Platte. Die Kathode wird entweder indirekt oder direkt beheizt. Bei der indirekten Beheizung ist ein Heizelement in die Hülle integriert. ⓘ

Im Betrieb wird die Kathode auf Rotglut (ca. 800-1.000 °C) erhitzt. Eine direkt beheizte Kathode besteht aus Wolframdraht und wird durch einen Strom erhitzt, der von einer externen Spannungsquelle durch sie geleitet wird. Eine indirekt geheizte Kathode wird durch die Infrarotstrahlung eines nahegelegenen Heizkörpers aus Nichrom-Draht erwärmt, der mit Strom aus einer externen Spannungsquelle versorgt wird. ⓘ

Eine Vakuumröhre mit zwei Leistungsdioden ⓘ

Die Betriebstemperatur der Kathode bewirkt, dass sie Elektronen in das Vakuum abgibt, ein Vorgang, der als thermionische Emission bezeichnet wird. Die Kathode ist mit Oxiden von Erdalkalimetallen, wie Barium- und Strontiumoxiden, beschichtet. Diese haben eine niedrige Austrittsarbeit, d. h. sie geben leichter Elektronen ab als eine unbeschichtete Kathode. ⓘ

Die nicht beheizte Platte gibt keine Elektronen ab, sondern kann sie absorbieren. ⓘ

Die zu gleichrichtende Wechselspannung wird zwischen Kathode und Platte angelegt. Wenn die Plattenspannung im Verhältnis zur Kathode positiv ist, zieht die Platte elektrostatisch die Elektronen von der Kathode an, so dass ein Elektronenstrom von der Kathode zur Platte durch die Röhre fließt. Wenn die Plattenspannung im Verhältnis zur Kathode negativ ist, werden keine Elektronen von der Platte emittiert, so dass kein Strom von der Platte zur Kathode fließen kann. ⓘ

SMD-Halbleiterdiode ⓘ

Die Kathode unipolarer Dioden ist meist mit einem Ring oder Farbpunkt gekennzeichnet. Der Kathodenanschluss von Leuchtdioden ist durch einen Farbpunkt, ein kürzeres Anschlussbein und/oder eine Gehäuseabflachung gekennzeichnet. Bei Laserdioden ist die Anode meist mit dem Gehäuse verbunden. ⓘ

Der Diodentyp kann nach zwei Standards gekennzeichnet sein: Gemäß JEDEC-Norm oder gemäß Pro-Electron, jeweils mit einem Farbcode oder einer Beschriftung. Bei der Bezeichnung mit Farbcode ist der erste Ring breiter aufgedruckt und bezeichnet gleichzeitig den Anschluss der Kathode. Bei der Beschriftung wird die Kathode mit einem Ring gekennzeichnet. Einige Hersteller führen eigene Benennungsschemen. ⓘ

Auch erwähnenswert ist die Kennzeichnung auf Brückengleichrichtern mit je zwei Anschlüssen für die anzulegende Wechselspannung „AC“ und die entnehmbare Gleichspannung „+“ und „−“. In der Typenbezeichnung sind oft die maximal zulässige Sperrspannung und Nennstrom enthalten, wobei etwa „E40 C30“ für 40 V Spannung (E) und 30 mA Strom (C) steht. ⓘ

Halbleiterdioden

Verlauf der Sperrschichtkapazität in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ⓘ

Der p-n-Übergang einer Diode hat je nach angelegter Spannung eine von freien (beweglichen) Ladungsträgern verarmte Raumladungszone. Diese wirkt wie das Dielektrikum eines Plattenkondensators. Seine Kapazität ist abhängig von der Breite der Zone. Dieser Zusammenhang wird bei einer in Sperrrichtung gepolten Diode ausgenutzt. Die Sperrspannung ist definiert als $U_{\text{R}}=-U_{\text{D}}$ , zur gezeigten Kennlinie steigt also die Sperrspannung nach links an. Mit steigender Sperrspannung verbreitert sich die ladungsfreie Zone, wodurch die Sperrschichtkapazität $C_{\text{S}}$ abnimmt. ⓘ

Dieses gilt für jede Diode, aber es gibt spezielle Kapazitätsdioden, die auf eine große Kapazität und ferner auf ein großes $C_{\text{max}}/C_{\text{min}}$ optimiert sind. Während z. B. für die gängige Kleinsignaldiode 1N914 $C_{\text{S}}<{\text{ 4 pF}}$ beträgt bei $U_{\text{R}}=0$ , sind bei Kapazitätsdioden um zwei Zehnerpotenzen größere Werte zu erreichen bei $U_{\text{R}}>0$ . Im jeweils empfohlenen Spannungsbereich kann das max/min–Verhältnis bei <2:1 liegen, aber auch bei >20:1. ⓘ

Der Zusammenhang zwischen $C_{\text{S}}$ und $U_{\text{R}}$ lässt sich annähern durch ⓘ

C_{\text{S}}=C_{0}\left(1+{\frac {U_{\text{R}}}{U_{\text{diff}}}}\right)^{-n}

mit

U_{\text{diff}}\approx 0{,}7{\text{ V}}

und

n\approx 0{,}5\ \ (0{,}3{\text{ bis }}1{,}0)

. ⓘ

Derartig in Sperrrichtung betrieben wird die Diode als ein Kondensator eingesetzt, dessen Kapazität durch eine Gleichspannung steuerbar ist. Zu Anwendungen siehe unter Kapazitätsdiode; zu weiteren Bauteileigenschaften siehe in Datenblättern, z. B. in. ⓘ

Wird die Diode in Durchlassrichtung in einem schmalen Spannungsbereich noch unterhalb der Schwellenspannung betrieben, so steigt die Kapazitätskennlinie nach rechts weiter an, bis der p-n-Übergang leitend wird und die Raumladungszone verschwindet. ⓘ

Nahaufnahme einer EFD108-Germanium-Punktkontaktdiode im DO7-Glasgehäuse, die den scharfen Metalldraht (Cat Whisker) zeigt, der den Halbleiterübergang bildet. ⓘ

Punktkontaktdioden

Punktkontaktdioden wurden ab den 1930er Jahren aus der frühen Kristalldetektortechnologie entwickelt und werden heute im Allgemeinen im Bereich von 3 bis 30 Gigahertz eingesetzt. Punktkontaktdioden verwenden einen Metalldraht mit kleinem Durchmesser, der mit einem Halbleiterkristall in Kontakt steht, und sind entweder mit ungeschweißten oder mit geschweißten Kontakten ausgestattet. Bei der Konstruktion mit ungeschweißten Kontakten wird das Prinzip der Schottky-Barriere angewandt. Die Metallseite ist das spitze Ende eines Drahtes mit kleinem Durchmesser, der in Kontakt mit dem Halbleiterkristall steht. Beim Typ mit geschweißten Kontakten wird während der Herstellung ein kleiner P-Bereich in dem ansonsten N-leitenden Kristall um die Metallspitze herum gebildet, indem kurzzeitig ein relativ hoher Strom durch das Bauelement fließt. Punktkontaktdioden weisen im Allgemeinen eine geringere Kapazität, einen höheren Durchlasswiderstand und einen größeren Leckstrom in Sperrrichtung auf als Sperrschichtdioden. ⓘ

Sperrschichtdioden

p-n-Übergangsdiode

Eine p-n-Übergangsdiode besteht aus einem Halbleiterkristall, in der Regel Silizium, aber auch Germanium und Galliumarsenid werden verwendet. Durch Zugabe von Verunreinigungen entsteht auf der einen Seite ein Bereich mit negativen Ladungsträgern (Elektronen), der so genannte n-Typ-Halbleiter, und auf der anderen Seite ein Bereich mit positiven Ladungsträgern (Löchern), der so genannte p-Typ-Halbleiter. Wenn die n-Typ- und p-Typ-Materialien zusammengefügt werden, kommt es zu einem vorübergehenden Elektronenfluss von der n- zur p-Seite, wodurch ein dritter Bereich zwischen den beiden entsteht, in dem keine Ladungsträger vorhanden sind. Dieser Bereich wird als Verarmungszone bezeichnet, weil sich dort keine Ladungsträger (weder Elektronen noch Löcher) befinden. Die Anschlüsse der Diode sind mit den n- und p-leitenden Bereichen verbunden. Die Grenze zwischen diesen beiden Bereichen, der so genannte p-n-Übergang, ist der Ort, an dem die Wirkung der Diode stattfindet. Wenn an der P-Seite (Anode) ein ausreichend höheres elektrisches Potenzial angelegt wird als an der N-Seite (Kathode), können Elektronen durch den Verarmungsbereich von der N-Typ-Seite zur P-Typ-Seite fließen. Der Übergang lässt keinen Elektronenfluss in die entgegengesetzte Richtung zu, wenn das Potenzial in umgekehrter Richtung angelegt wird, wodurch gewissermaßen ein elektrisches Rückschlagventil entsteht. ⓘ

Schottky-Diode

Eine andere Art von Sperrschichtdiode, die Schottky-Diode, besteht aus einem Metall-Halbleiter-Übergang und nicht aus einem p-n-Übergang, was die Kapazität verringert und die Schaltgeschwindigkeit erhöht. ⓘ

Strom-Spannungs-Kennlinie

I-V-Kennlinie (Strom/Spannung) einer p-n-Übergangsdiode ⓘ

Das Verhalten einer Halbleiterdiode in einer Schaltung wird durch ihre Strom-Spannungs-Kennlinie oder I-U-Kennlinie (siehe Grafik unten) beschrieben. Die Form der Kurve wird durch den Transport von Ladungsträgern durch die so genannte Verarmungsschicht oder Verarmungszone bestimmt, die sich am p-n-Übergang zwischen unterschiedlichen Halbleitern befindet. Wenn ein p-n-Übergang zum ersten Mal entsteht, diffundieren (mobile) Leitungsbandelektronen aus dem N-dotierten Bereich in den P-dotierten Bereich, in dem es eine große Anzahl von Löchern (freie Plätze für Elektronen) gibt, mit denen die Elektronen "rekombinieren". Wenn ein bewegliches Elektron mit einem Loch rekombiniert, verschwinden sowohl das Loch als auch das Elektron und hinterlassen einen unbeweglichen positiv geladenen Donator (Dotierstoff) auf der N-Seite und einen negativ geladenen Akzeptor (Dotierstoff) auf der P-Seite. Der Bereich um den p-n-Übergang wird an Ladungsträgern verarmt und verhält sich daher wie ein Isolator. ⓘ

Die Breite des Verarmungsbereichs (die so genannte Verarmungsbreite) kann jedoch nicht unbegrenzt wachsen. Bei jeder Rekombination von Elektronen-Loch-Paaren bleibt ein positiv geladenes Dotierstoff-Ion im N-dotierten Bereich zurück, während im P-dotierten Bereich ein negativ geladenes Dotierstoff-Ion entsteht. Wenn die Rekombination fortschreitet und mehr Ionen erzeugt werden, entwickelt sich ein zunehmendes elektrisches Feld durch die Verarmungszone, das die Rekombination verlangsamt und schließlich stoppt. Zu diesem Zeitpunkt liegt ein "eingebautes" Potenzial in der Verarmungszone vor. ⓘ

Bei einer PN-Übergangsdiode im Durchlassmodus nimmt die Verarmungsbreite ab. Sowohl der p- als auch der n-Übergang sind mit einem Dotierungsgrad von 1e15/cm3 dotiert, was zu einem eingebauten Potenzial von ~0,59 V führt. Beachten Sie die unterschiedlichen Quasi-Fermi-Niveaus für Leitungs- und Valenzband im n- und p-Bereich (rote Kurven). ⓘ

Umgekehrte Vorspannung

Wird eine externe Spannung mit der gleichen Polarität wie das eingebaute Potenzial an die Diode angelegt, wirkt die Verarmungszone weiterhin als Isolator und verhindert einen nennenswerten Stromfluss (es sei denn, es werden aktiv Elektronen-Loch-Paare in der Sperrschicht erzeugt, z. B. durch Licht; siehe Fotodiode). Dies wird als Sperrschichtphänomen bezeichnet. ⓘ

Vorwärtspolarität

Wenn jedoch die Polarität der externen Spannung dem eingebauten Potenzial entgegengesetzt ist, kann die Rekombination wieder stattfinden, was zu einem beträchtlichen elektrischen Strom durch den p-n-Übergang führt (d. h. eine beträchtliche Anzahl von Elektronen und Löchern rekombiniert am Übergang). Bei Siliziumdioden beträgt das eingebaute Potenzial etwa 0,7 V (0,3 V bei Germanium und 0,2 V bei Schottky). Wenn also eine externe Spannung angelegt wird, die größer als die eingebaute Spannung ist und dieser entgegengesetzt ist, fließt ein Strom und die Diode wird als "eingeschaltet" bezeichnet, da sie eine externe Vorspannung erhalten hat. Man sagt, dass die Diode eine Vorwärts-"Schwellenspannung" hat, oberhalb derer sie leitet und unterhalb derer sie nicht mehr leitet. Dies ist jedoch nur ein Näherungswert, da die Durchlasskennlinie glatt ist (siehe I-U-Diagramm oben). ⓘ

Die I-U-Kennlinie einer Diode kann durch vier Betriebsbereiche angenähert werden:

Bei einer sehr großen Sperrspannung, die über die Spitzenumkehrspannung (PIV) hinausgeht, kommt es zu einem Prozess, der als Sperrdurchbruch bezeichnet wird und zu einem starken Stromanstieg führt (d. h. eine große Anzahl von Elektronen und Löchern wird am p-n-Übergang erzeugt und entfernt sich von diesem), der das Bauelement in der Regel dauerhaft beschädigt. Die Avalanche-Diode ist absichtlich für diese Art der Verwendung konzipiert. Bei der Zener-Diode ist das Konzept des PIV nicht anwendbar. Eine Zener-Diode enthält einen stark dotierten p-n-Übergang, der es den Elektronen ermöglicht, vom Valenzband des p-Typ-Materials zum Leitungsband des n-Typ-Materials zu tunneln, so dass die Sperrspannung auf einen bekannten Wert (die so genannte Zenerspannung) "geklemmt" wird und keine Avalanche auftritt. Bei beiden Bauelementen gibt es jedoch eine Grenze für den maximalen Strom und die maximale Leistung, die sie im geklemmten Sperrspannungsbereich aushalten können. Außerdem fließt nach dem Ende des Durchlassstroms in jeder Diode für kurze Zeit ein Sperrstrom. Das Bauelement erreicht seine volle Sperrfähigkeit erst, wenn der Sperrstrom aufhört.
Bei einer Vorspannung, die kleiner ist als die PIV, ist der Sperrstrom sehr gering. Bei einer normalen P-N-Gleichrichterdiode ist der Sperrstrom durch das Bauelement im Mikroampere-Bereich (μA) sehr gering. Dies ist jedoch temperaturabhängig, und bei ausreichend hohen Temperaturen kann ein erheblicher Sperrstrom (mA oder mehr) beobachtet werden. Außerdem gibt es einen winzigen Oberflächenleckstrom, der dadurch verursacht wird, dass die Elektronen einfach um die Diode herumfließen, als wäre sie ein unvollkommener Isolator.
Bei einer kleinen Durchlassspannung, bei der nur ein geringer Durchlassstrom fließt, verläuft die Strom-Spannungs-Kurve entsprechend der idealen Diodengleichung exponentiell. Es gibt eine bestimmte Vorwärtsspannung, bei der die Diode beginnt, in erheblichem Umfang zu leiten. Diese Spannung wird als Kniespannung oder Einschaltspannung bezeichnet und ist gleich dem Barrierenpotential des p-n-Übergangs. Dies ist ein Merkmal der Exponentialkurve und erscheint auf einer stärker komprimierten Stromskala schärfer als in dem hier gezeigten Diagramm.
Bei größeren Durchlassströmen wird die Strom-Spannungs-Kurve durch den ohmschen Widerstand des Bulk-Halbleiters dominiert. Die Kurve verläuft nicht mehr exponentiell, sondern asymptotisch zu einer Geraden, deren Steigung dem Bulk-Widerstand entspricht. Dieser Bereich ist besonders wichtig für Leistungsdioden. Die Diode kann als ideale Diode in Reihe mit einem Festwiderstand modelliert werden. ⓘ

Bei einer kleinen Siliziumdiode, die mit ihren Nennströmen arbeitet, beträgt der Spannungsabfall etwa 0,6 bis 0,7 Volt. Bei anderen Diodentypen ist der Wert unterschiedlich: Schottky-Dioden können bis zu 0,2 V, Germanium-Dioden 0,25 bis 0,3 V und rote oder blaue Leuchtdioden (LEDs) 1,4 V bzw. 4,0 V betragen. ⓘ

Bei höheren Strömen nimmt der Durchlassspannungsabfall der Diode zu. Ein Abfall von 1 V bis 1,5 V ist typisch für Leistungsdioden bei vollem Nennstrom. ⓘ

Shockley-Dioden-Gleichung

Die Gleichung der idealen Shockley-Diode oder das Diodengesetz (benannt nach dem Miterfinder des Bipolartransistors William Bradford Shockley) gibt die I-U-Kennlinie einer idealen Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung (oder ohne Vorspannung) an. Die folgende Gleichung wird als ideale Diodengleichung nach Shockley bezeichnet, wenn n, der Idealitätsfaktor, gleich 1 gesetzt wird:

I=I_{\mathrm {S} }\left(e^{V_{\text{D}}/(nV_{\text{T}})}-1\right)

ⓘ

wobei

I ist der Diodenstrom,

IS ist der Sättigungsstrom in Sperrrichtung (oder Skalenstrom),

VD die Spannung an der Diode ist,

VT die Thermospannung ist, und

n ist der Idealitätsfaktor, der auch als Qualitätsfaktor oder manchmal als Emissionskoeffizient bezeichnet wird. Der Idealitätsfaktor n variiert je nach Herstellungsverfahren und Halbleitermaterial in der Regel zwischen 1 und 2 (kann aber in manchen Fällen auch höher sein) und wird für den Fall einer "idealen" Diode auf 1 gesetzt (daher wird n manchmal weggelassen). Der Idealitätsfaktor wurde hinzugefügt, um unvollkommene Übergänge, wie sie in realen Transistoren beobachtet werden, zu berücksichtigen. Der Faktor berücksichtigt hauptsächlich die Rekombination von Ladungsträgern beim Durchqueren des Verarmungsbereichs. ⓘ

Die thermische Spannung VT beträgt ca. 25,85 mV bei 300 K, einer Temperatur nahe der "Raumtemperatur", die üblicherweise in Bauelementesimulationssoftware verwendet wird. Bei jeder Temperatur ist sie eine bekannte Konstante, definiert durch:

V_{\text{T}}={\frac {kT}{q}}\,,

ⓘ

wobei k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur des p-n-Übergangs und q die Größe der Ladung eines Elektrons (die Elementarladung) ist. ⓘ

Der Sättigungsrückstrom IS ist für ein bestimmtes Bauelement nicht konstant, sondern variiert mit der Temperatur, in der Regel stärker als VT, so dass VD in der Regel mit steigendem T abnimmt. ⓘ

Die Gleichung der idealen Shockley-Diode oder das Diodengesetz wird unter der Annahme abgeleitet, dass die einzigen Prozesse, die zum Strom in der Diode führen, die Drift (aufgrund des elektrischen Feldes), die Diffusion und die thermische Rekombinationserzeugung (R-G) sind (diese Gleichung wird abgeleitet, indem oben n = 1 gesetzt wird). Außerdem wird angenommen, dass der R-G-Strom in der Verarmungszone unbedeutend ist. Das bedeutet, dass die Gleichung der idealen Shockley-Diode die Vorgänge beim Rückwärtsdurchbruch und beim photonenunterstützten R-G nicht berücksichtigt. Die Einführung des Idealitätsfaktors n trägt der Rekombination und der Erzeugung von Ladungsträgern Rechnung. ⓘ

Bei Sperrspannungen ist das Exponential in der Diodengleichung vernachlässigbar, und der Strom ist ein konstanter (negativer) Sperrstromwert von -IS. Der Bereich des Sperrdurchbruchs wird nicht durch die Shockley-Diodengleichung modelliert. ⓘ

Selbst für relativ kleine Vorwärtsspannungen ist die Exponentialfunktion sehr groß, da die Thermospannung im Vergleich dazu sehr klein ist. Die subtrahierte "1" in der Diodengleichung ist dann vernachlässigbar, und der Diodenstrom in Vorwärtsrichtung lässt sich näherungsweise berechnen durch ⓘ

I=I_{\text{S}}e^{V_{\text{D}}/(nV_{\text{T}})}

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Die Verwendung der Diodengleichung bei Schaltungsproblemen wird im Artikel über die Modellierung von Dioden erläutert. ⓘ

Wegen der Nichtlinearität werden Vereinfachungen verwendet, die das Verhalten nur näherungsweise wiedergeben, dabei aber eine leichtere Handhabung ermöglichen. Im einfachen Modell der Diode wird diese als ideales Rückschlagventil angesehen oder als Schalter, dessen Stellung von der Polung der angelegten Spannung abhängt. Die ideale Diode ist in der einen Richtung leitend ohne Spannungsabfall, in der Gegenrichtung sperrend ohne Leckstrom. Damit besteht die Kennlinie aus zwei Halbgeraden auf den Koordinatenachsen. In Gleichungsform wird die ideale Diode beschrieben ⓘ

Links: Kennlinie einer idealen Diode
Daneben: Kennlinie des rechtsstehenden Diodenmodells, das eine verbesserte lineare Annäherung an die nichtlineare Kennlinie einer realen Diode ermöglicht ⓘ

Kennlinie einer Silizium-Diode im Durchlassbereich
(gilt für 1N4001 bis 1N4007) ⓘ

Gemessene Kennlinien verschiedener Dioden in einfach logarithmischer Darstellung ⓘ

im Durchlassbereich durch	$U_{\text{D}}=0$	bei	$I_{\text{D}}\geq 0$
im Sperrbereich durch	$I_{\text{D}}=0$	bei	$U_{\text{D}}\leq 0$

Die Zustände $U_{\text{D}}>0$ und $I_{\text{D}}<0$ existieren in diesem Modell nicht. ⓘ

Sollen die Schleusenspannung und der nicht sprunghafte Kennlinienverlauf in die Beschreibung des Verhaltens einbezogen werden wie unten angegeben mit weiterhin linearer Näherung, wird die Ersatzschaltung erweitert gemäß nebenstehendem Bild. Die Richtungen von Stromstärke und Spannung sind so gewählt wie im Verbraucher-Zählpfeilsystem. Bei gleichen Vorzeichen der beiden Größen verhält sich diese Spannungsquelle als Besonderheit wie ein Verbraucher. Dieses zeigt sich in der Erwärmung der realen Diode. ⓘ

Eine elektronische Schaltung, die beispielsweise zu Messzwecken die Funktion eines Gleichrichters wie eine ideale Diode übernimmt – ohne die Mängel der hohen Schleusenspannung und der nichtlinearen Kennlinie – wird unter Präzisionsgleichrichter beschrieben. ⓘ

I_{\text{D}}=I_{\text{S}}\,\left(\mathrm {e} ^{\frac {U_{\text{D}}}{n\;U_{\text{T}}}}-1\right)

Sättigungssperrstrom (kurz: Sperrstrom) $I_{\text{S}}\approx 10^{-12}\dots 10^{-6}\mathrm {A}$
Emissionskoeffizient $n\approx 1\dots 2$
Temperaturspannung $U_{\text{T}}={\frac {k\cdot T}{q}}\approx {25\;\mathrm {mV} }$ bei Raumtemperatur
absolute Temperatur $T$
Boltzmannkonstante $k={1{,}381}\cdot 10^{-23}\,\mathrm {Ws/K}$
Elementarladung $q=1{,}602\cdot 10^{-19}\;\mathrm {As}$ ⓘ

Bei $U_{\text{D}}>n\cdot 120\,\mathrm {mV}$ entsteht ein relativer Fehler von < 1 %, wenn in der Klammer der zweite Summand weggelassen wird. Dann gilt

I_{\text{D}}=I_{\text{S}}\,\exp {\frac {U_{\text{D}}}{n\;U_{\text{T}}}}\ ;\quad \ln {\frac {I_{\text{D}}}{I_{\text{S}}}}={\frac {1}{n\;U_{\text{T}}}}\cdot U_{\text{D}}

ⓘ

und die Kennlinie nach Shockley wird in einfach logarithmischer Darstellung eine Gerade. ⓘ

Bei genauerer Betrachtung setzt sich der Diodenstrom aus dem Diffusionsstrom $I_{\text{D,D}}$ unter Berücksichtigung des Hochstromeffekts, dem Leckstrom $I_{\text{D,R}}$ und dem Durchbruchsstrom $I_{\text{D,BR}}$ zusammen:

I_{\text{D}}=I_{\text{D,D}}+I_{\text{D,R}}+I_{\text{D,BR}}

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Kleinsignalverhalten

Bei Durchlassspannungen, die kleiner als die Sättigungsspannung sind, ist die Kennlinie von Spannung und Strom der meisten Dioden keine gerade Linie. Der Strom kann näherungsweise durch $I=I_{\text{S}}e^{V_{\text{D}}/(nV_{\text{T}})}$ angenähert werden, wie im vorigen Abschnitt erwähnt. ⓘ

Bei Detektor- und Mischeranwendungen kann der Strom durch eine Taylorreihe geschätzt werden. Die ungeraden Terme können weggelassen werden, da sie Frequenzkomponenten erzeugen, die außerhalb des Durchlassbereichs des Mischers oder Detektors liegen. Gerade Terme jenseits der zweiten Ableitung müssen normalerweise nicht berücksichtigt werden, da sie im Vergleich zum Term zweiter Ordnung klein sind. Die gewünschte Stromkomponente ist annähernd proportional zum Quadrat der Eingangsspannung, so dass die Reaktion in diesem Bereich als quadratisches Gesetz bezeichnet wird. ⓘ

Reverse-Recovery-Effekt

Nach dem Ende des Durchlassstroms in einer p-n-Diode kann für kurze Zeit ein Sperrstrom fließen. Das Bauelement erreicht seine Sperrfähigkeit erst, wenn die bewegliche Ladung in der Sperrschicht verbraucht ist. ⓘ

Dieser Effekt kann erheblich sein, wenn große Ströme sehr schnell geschaltet werden. Eine gewisse "Erholungszeit in Sperrrichtung" tr (in der Größenordnung von zehn Nanosekunden bis zu einigen Mikrosekunden) kann erforderlich sein, um die Sperrladung $Q$ r aus der Diode zu entfernen. Während dieser Erholungszeit kann die Diode tatsächlich in umgekehrter Richtung leiten. Dies kann dazu führen, dass für kurze Zeit ein großer Strom in Sperrrichtung fließt, während die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist. Die Größe eines solchen Sperrstroms wird durch den Betriebsstromkreis (d. h. den Serienwiderstand) bestimmt, und man sagt, dass sich die Diode in der Speicherphase befindet. In bestimmten realen Fällen ist es wichtig, die Verluste zu berücksichtigen, die durch diesen nicht idealen Diodeneffekt entstehen. Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms jedoch nicht so hoch ist (z. B. bei Netzfrequenz), kann der Effekt vernachlässigt werden. Für die meisten Anwendungen ist der Effekt auch bei Schottky-Dioden vernachlässigbar. ⓘ

Der Sperrstrom hört abrupt auf, wenn die gespeicherte Ladung verbraucht ist; dieser abrupte Stopp wird in Step-Recovery-Dioden zur Erzeugung extrem kurzer Impulse ausgenutzt. ⓘ

Arten von Halbleiterdioden

Normale (p-n-)Dioden, die wie oben beschrieben funktionieren, werden in der Regel aus dotiertem Silizium oder Germanium hergestellt. Vor der Entwicklung von Silizium-Leistungsgleichrichterdioden wurden Kupferoxid und später Selen verwendet. Ihr geringer Wirkungsgrad erforderte eine viel höhere Vorwärtsspannung (in der Regel 1,4 bis 1,7 V pro "Zelle", wobei mehrere Zellen gestapelt wurden, um die Spitzensperrspannung für den Einsatz in Hochspannungsgleichrichtern zu erhöhen) und erforderte einen großen Kühlkörper (oft eine Verlängerung des Metallsubstrats der Diode), der viel größer war als derjenige der späteren Siliziumdioden mit denselben Stromwerten. Die überwiegende Mehrheit aller Dioden sind p-n-Dioden, die in integrierten CMOS-Schaltungen zu finden sind, die zwei Dioden pro Pin und viele andere interne Dioden enthalten. ⓘ

Avalanche-Dioden: Dies sind Dioden, die in umgekehrter Richtung leiten, wenn die Sperrvorspannung die Durchbruchspannung übersteigt. Sie sind den Zener-Dioden elektrisch sehr ähnlich (und werden oft fälschlicherweise als Zener-Dioden bezeichnet), brechen aber durch einen anderen Mechanismus zusammen: den Avalanche-Effekt. Dieser tritt auf, wenn das an den p-n-Übergang angelegte umgekehrte elektrische Feld eine Ionisierungswelle auslöst, die an eine Lawine erinnert und zu einem hohen Strom führt. Avalanche-Dioden sind so konzipiert, dass sie bei einer genau definierten Sperrspannung zusammenbrechen, ohne zerstört zu werden. Der Unterschied zwischen der Avalanche-Diode (die oberhalb von etwa 6,2 V in Sperrrichtung durchbricht) und der Zener-Diode besteht darin, dass die Kanallänge der Avalanche-Diode die mittlere freie Weglänge der Elektronen übersteigt, was zu zahlreichen Zusammenstößen zwischen den Elektronen auf dem Weg durch den Kanal führt. Der einzige praktische Unterschied zwischen den beiden Typen besteht darin, dass sie Temperaturkoeffizienten mit entgegengesetzter Polarität haben.
Konstantstrom-Dioden: Dabei handelt es sich um JFETs, bei denen das Gate mit der Source kurzgeschlossen ist, und die wie eine zweipolige strombegrenzende Diode analog zur spannungsbegrenzenden Zener-Diode funktionieren. Sie lassen einen Strom durch sie bis zu einem bestimmten Wert ansteigen und pendeln sich dann bei einem bestimmten Wert ein. Sie werden auch CLDs, Konstantstromdioden, diodengeschaltete Transistoren oder stromregulierende Dioden genannt.
Kristallgleichrichter oder Kristalldioden: Dies sind Punktkontaktdioden. Die Serie 1N21 und andere werden in Mischer- und Detektoranwendungen in Radar- und Mikrowellenempfängern verwendet. Die 1N34A ist ein weiteres Beispiel für eine Kristalldiode.
Gunn-Dioden: Sie ähneln den Tunneldioden insofern, als sie aus Materialien wie GaAs oder InP bestehen, die einen Bereich mit negativem Differenzwiderstand aufweisen. Bei entsprechender Vorspannung bilden sich Dipolbereiche, die sich über die Diode ausbreiten und den Bau von Hochfrequenz-Mikrowellenoszillatoren ermöglichen.
Licht emittierende Dioden (LEDs): In einer Diode aus einem Halbleiter mit direkter Bandlücke, z. B. Galliumarsenid, emittieren Ladungsträger, die den Übergang passieren, Photonen, wenn sie mit dem Mehrheitsträger auf der anderen Seite rekombinieren. Je nach Material können Wellenlängen (oder Farben) vom Infraroten bis zum nahen Ultravioletten erzeugt werden. Die ersten LEDs waren rot und gelb, und im Laufe der Zeit wurden Dioden mit höheren Frequenzen entwickelt. Alle LEDs erzeugen inkohärentes Licht mit engem Spektrum; "weiße" LEDs sind eigentlich blaue LEDs mit einer gelben Szintillatorbeschichtung oder Kombinationen aus drei LEDs unterschiedlicher Farbe. LEDs können auch als Fotodioden mit niedrigem Wirkungsgrad in Signalanwendungen eingesetzt werden. Eine LED kann mit einer Fotodiode oder einem Fototransistor im selben Gehäuse gepaart werden, um einen Opto-Isolator zu bilden.
Laserdioden: Wenn eine LED-ähnliche Struktur in einem Resonanzraum enthalten ist, der durch Polieren der parallelen Endflächen entsteht, kann ein Laser gebildet werden. Laserdioden werden häufig in optischen Speichergeräten und für die optische Hochgeschwindigkeitskommunikation eingesetzt.
Thermische Dioden: Dieser Begriff wird sowohl für herkömmliche p-n-Dioden verwendet, die aufgrund ihrer mit der Temperatur variierenden Durchlassspannung zur Temperaturüberwachung eingesetzt werden, als auch für Peltier-Wärmepumpen zum thermoelektrischen Heizen und Kühlen. Peltier-Wärmepumpen können aus Halbleitern hergestellt werden, obwohl sie keine gleichrichtenden Übergänge haben. Sie nutzen das unterschiedliche Verhalten von Ladungsträgern in N- und P-Halbleitern, um Wärme zu bewegen.
Fotodioden: Bei allen Halbleitern werden optische Ladungsträger erzeugt. Dies ist in der Regel ein unerwünschter Effekt, weshalb die meisten Halbleiter in lichtundurchlässigem Material verpackt sind. Fotodioden sind für die Erfassung von Licht (Fotodetektor) vorgesehen und werden daher in Materialien verpackt, die Licht durchlassen, und sind in der Regel PIN-Dioden (die lichtempfindlichste Art von Dioden). Eine Fotodiode kann in Solarzellen, in der Fotometrie oder in der optischen Kommunikation eingesetzt werden. Mehrere Photodioden können in einem einzigen Gerät untergebracht werden, entweder als lineares Array oder als zweidimensionales Array. Diese Arrays sind nicht mit ladungsgekoppelten Bauelementen zu verwechseln.
PIN-Dioden: Eine PIN-Diode hat eine zentrale, nicht dotierte oder intrinsische Schicht, die eine p-Typ/intrinsische/n-Typ-Struktur bildet. Sie werden als Hochfrequenzschalter und Dämpfungsglieder verwendet. Sie werden auch als großvolumige Detektoren für ionisierende Strahlung und als Fotodetektoren verwendet. PIN-Dioden werden auch in der Leistungselektronik verwendet, da ihre zentrale Schicht hohen Spannungen standhalten kann. Darüber hinaus ist die PIN-Struktur in vielen Leistungshalbleiterbauelementen zu finden, z. B. in IGBTs, Leistungs-MOSFETs und Thyristoren.
Schottky-Dioden: Schottky-Dioden sind aus einem Metall-Halbleiter-Kontakt aufgebaut. Sie haben einen geringeren Durchlassspannungsabfall als p-n-Übergangsdioden. Ihr Durchlassspannungsabfall bei Durchlassströmen von etwa 1 mA liegt im Bereich von 0,15 V bis 0,45 V, was sie für Spannungsklemmanwendungen und zur Verhinderung der Transistorsättigung nützlich macht. Sie können auch als verlustarme Gleichrichter verwendet werden, obwohl ihr Leckstrom in Sperrrichtung im Allgemeinen höher ist als bei anderen Dioden. Schottky-Dioden sind Majoritätsladungsträger-Bauelemente und leiden daher nicht unter den Problemen der Minoritätsladungsträger-Speicherung, die viele andere Dioden verlangsamen, so dass sie sich in Sperrrichtung schneller erholen als p-n-Übergangsdioden. Außerdem haben sie in der Regel eine viel geringere Sperrschichtkapazität als p-n-Dioden, was hohe Schaltgeschwindigkeiten und ihre Verwendung in Hochgeschwindigkeitsschaltungen und HF-Geräten wie Schaltnetzteilen, Mischern und Detektoren ermöglicht.
Super-Barriere-Dioden: Superbarrieredioden sind Gleichrichterdioden, die den niedrigen Durchlassspannungsabfall der Schottky-Diode mit der Überspannungsfestigkeit und dem niedrigen Sperrstrom einer normalen p-n-Diode kombinieren.
Golddotierte Dioden: Als Dotierstoff wirkt Gold (oder Platin) als Rekombinationszentrum, das die schnelle Rekombination von Minoritätsträgern fördert. Dadurch kann die Diode bei Signalfrequenzen betrieben werden, was allerdings mit einem höheren Durchlassspannungsabfall einhergeht. Golddotierte Dioden sind schneller als andere p-n-Dioden (aber nicht so schnell wie Schottky-Dioden). Sie haben auch einen geringeren Leckstrom in Sperrrichtung als Schottky-Dioden (aber nicht so gut wie andere p-n-Dioden). Ein typisches Beispiel ist die 1N914.
Snap-off- oder Step-Recovery-Dioden: Der Begriff "Step Recovery" bezieht sich auf die Form der Rückstromerholungseigenschaften dieser Bauelemente. Nachdem ein Vorwärtsstrom in einer SRD geflossen ist und der Strom unterbrochen oder umgekehrt wird, hört die Rückwärtsleitung sehr abrupt auf (wie bei einer Stufenwellenform). SRDs können daher durch das sehr plötzliche Verschwinden der Ladungsträger für sehr schnelle Spannungsübergänge sorgen.
Stabistoren oder Vorwärtsreferenzdioden: Der Begriff "Stabistor" bezieht sich auf einen speziellen Typ von Dioden mit extrem stabilen Durchlassspannungseigenschaften. Diese Bauelemente sind speziell für Niederspannungs-Stabilisierungsanwendungen konzipiert, die eine garantierte Spannung über einen breiten Strombereich und hohe Temperaturstabilität erfordern.
Dioden zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS): Dies sind Avalanche-Dioden, die speziell dafür entwickelt wurden, andere Halbleiterbauelemente vor Hochspannungstransienten zu schützen. Ihre p-n-Übergänge haben eine viel größere Querschnittsfläche als die einer normalen Diode, so dass sie große Ströme zur Erde leiten können, ohne Schaden zu nehmen.
Tunneldioden oder Esaki-Dioden: Sie haben einen Betriebsbereich mit negativem Widerstand, der durch Quantentunneln verursacht wird und die Verstärkung von Signalen und sehr einfache bistabile Schaltungen ermöglicht. Aufgrund der hohen Ladungsträgerkonzentration sind Tunneldioden sehr schnell und können bei niedrigen (mK) Temperaturen, hohen Magnetfeldern und in Umgebungen mit hoher Strahlung eingesetzt werden. Aufgrund dieser Eigenschaften werden sie häufig in Raumfahrzeugen eingesetzt.
Varicap- oder Varactor-Dioden: Sie werden als spannungsgesteuerte Kondensatoren verwendet. Sie spielen eine wichtige Rolle in PLL- (Phase-Locked-Loop) und FLL- (Frequency-Locked-Loop) Schaltkreisen, die es Abstimmkreisen, wie z. B. in Fernsehempfängern, ermöglichen, sich schnell auf eine Frequenz einzustellen. Sie ermöglichten auch abstimmbare Oszillatoren in der frühen diskreten Abstimmung von Radios, bei der ein billiger und stabiler Kristalloszillator mit fester Frequenz die Referenzfrequenz für einen spannungsgesteuerten Oszillator lieferte.
Zener-Dioden: Diese Dioden können in Sperrrichtung (rückwärts) leitend gemacht werden und werden korrekt als Durchbruchdioden bezeichnet. Dieser als Zener-Durchbruch bezeichnete Effekt tritt bei einer genau definierten Spannung auf, so dass die Diode als präzise Spannungsreferenz verwendet werden kann. Der Begriff Zener-Dioden wird umgangssprachlich für verschiedene Arten von Durchbruchdioden verwendet, aber streng genommen haben Zener-Dioden eine Durchbruchspannung von unter 5 Volt, während Avalanche-Dioden für Durchbruchspannungen über diesem Wert verwendet werden. In praktischen Spannungsreferenzschaltungen werden Zener- und Schaltdioden in Reihe und in entgegengesetzter Richtung geschaltet, um den Temperaturkoeffizienten der Dioden auf einen Wert nahe Null abzugleichen. Einige Bauteile, die als Hochspannungs-Zenerdioden bezeichnet werden, sind in Wirklichkeit Avalanche-Dioden (siehe oben). Zwei (gleichwertige) Zeners in Reihe und in umgekehrter Reihenfolge im gleichen Gehäuse bilden einen Transientenabsorber (oder Transorb, eine eingetragene Marke). ⓘ

Weitere Verwendungszwecke für Halbleiterdioden sind die Temperaturmessung und die Berechnung von analogen Logarithmen (siehe Anwendungen von Operationsverstärkern#Logarithmischer Ausgang). ⓘ

Bei Anlegen einer Durchlassspannung kommt es in den Bahngebieten (also außerhalb der Raumladungszone) zu Minoritätsträgerüberschüssen, die die so genannten Diffusionsladungen bilden. Diese räumlich getrennten Ladungen müssen bei Änderungen der Durchlassspannung auf- bzw. abgebaut werden und beeinflussen somit das dynamische Verhalten der Diode. ⓘ

I_DD wird als Diffusionsstrom bezeichnet, und ${\tau }_{\text{T}}$ ist die so genannte Transitzeit:

C_{\text{D,D}}{\left(U'_{\text{D}}\right)}={\frac {\partial Q_{\text{D}}}{\partial U'_{\text{D}}}}={\frac {{\tau }_{\text{T}}\cdot I_{\text{DD}}}{n\cdot U_{\text{T}}}}\cdot {\frac {1+{\frac {I_{\text{S}}}{2\cdot I_{\text{K}}}}\cdot e^{\frac {U'_{\text{D}}}{n\cdot U_{\text{T}}}}}{1+{\frac {I_{\text{S}}}{I_{\text{K}}}}\cdot e^{\frac {U'_{\text{D}}}{n\cdot U_{\text{T}}}}}}

ⓘ

Näherungsweise kann man auch annehmen, dass für den Diffusionsbereich $I_{\text{DD}}\gg I_{\text{DR}}$ und damit auch $I_{\text{D}}\approx I_{\text{DD}}$ gilt. Daraus ergibt sich die Näherungsgleichung:

C_{\text{D,D}}\approx {{\frac {{\tau }_{\text{T}}\cdot I_{\text{D}}}{n\cdot U_{\text{T}}}}\cdot {\frac {1+{\frac {I_{\text{D}}}{2\cdot I_{\text{K}}}}}{1+{\frac {I_{\text{D}}}{I_{\text{K}}}}}}{\begin{matrix}{I_{\text{D}}\ll I_{\text{K}}}\\{\approx }\\{}\end{matrix}}{\frac {{\tau }_{\text{T}}\cdot I_{\text{D}}}{n\cdot U_{\text{T}}}}}

ⓘ

Grafische Symbole

Das Symbol, das zur Darstellung eines bestimmten Diodentyps in einem Schaltplan verwendet wird, vermittelt dem Leser die allgemeine elektrische Funktion. Für einige Diodentypen gibt es alternative Symbole, die sich jedoch nur geringfügig unterscheiden. Das Dreieck in den Symbolen zeigt in die Durchlassrichtung, d. h. in die Richtung des herkömmlichen Stromflusses. ⓘ

Diode
Licht-emittierende Diode (LED)
Fotodiode
Schottky-Diode
Transienten-Spannungs-Unterdrückungsdiode (TVS)
Tunneldiode
Varicap
Zener-Diode
Typische Diodengehäuse in derselben Ausrichtung wie das Diodensymbol. Der dünne Balken stellt die Kathode dar. ⓘ

Nummerierungs- und Kodierungsschemata

Es gibt eine Reihe gebräuchlicher, standardisierter und herstellergesteuerter Nummerierungs- und Kodierungsschemata für Dioden; die beiden gebräuchlichsten sind der EIA/JEDEC-Standard und der europäische Pro-Electron-Standard: ⓘ

EIA/JEDEC

Das standardisierte 1N-Nummerierungssystem EIA370 wurde in den USA um 1960 von EIA/JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) eingeführt. Die meisten Dioden haben eine 1-Präfix-Bezeichnung (z. B. 1N4003). Zu den beliebtesten Dioden dieser Serie gehörten: 1N34A/1N270 (Germanium-Signal), 1N914/1N4148 (Silizium-Signal), 1N400x (Silizium-1A-Leistungsgleichrichter) und 1N580x (Silizium-3A-Leistungsgleichrichter). ⓘ

JIS

Nach dem JIS-Halbleiterbezeichnungssystem beginnen alle Halbleiterdiodenbezeichnungen mit "1S". ⓘ

Pro-Elektron

Das europäische Pro-Electron-Kennzeichnungssystem für aktive Bauelemente wurde 1966 eingeführt und besteht aus zwei Buchstaben, gefolgt vom Teilecode. Der erste Buchstabe steht für das Halbleitermaterial, aus dem das Bauteil besteht (A = Germanium und B = Silizium), und der zweite Buchstabe für die allgemeine Funktion des Bauteils (bei Dioden A = Low-Power/Signal, B = variable Kapazität, X = Multiplikator, Y = Gleichrichter und Z = Spannungsreferenz); zum Beispiel

Germanium-Dioden der AA-Reihe mit geringer Leistung/Signal (z. B. AA119)
Silizium-Low-Power/Signal-Dioden der BA-Reihe (z. B. BAT18 Silizium-RF-Schaltdiode)
Silizium-Gleichrichterdioden der BY-Reihe (z. B. BY127 1250V, 1A Gleichrichterdiode)
Silizium-Zenerdioden der BZ-Reihe (z.B. BZY88C4V7 4,7V-Zenerdiode) ⓘ

Andere gebräuchliche Nummerierungs-/Kodierungssysteme (in der Regel herstellerabhängig) sind

Germaniumdioden der GD-Reihe (z. B. GD9) - ein sehr altes Kodierungssystem
Germaniumdioden der OA-Serie (z. B. OA47) - eine von dem britischen Unternehmen Mullard entwickelte Kodierungssequenz ⓘ

Anwendungen

Funk-Demodulation

Eine einfache Hüllkurven-Demodulatorschaltung. ⓘ

Die erste Anwendung der Diode war die Demodulation von amplitudenmodulierten (AM) Radiosendungen. Die Geschichte dieser Entdeckung wird in dem Artikel über Kristalldetektoren ausführlich behandelt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein AM-Signal aus abwechselnd positiven und negativen Spitzen einer Radioträgerwelle besteht, deren Amplitude oder Hüllkurve proportional zum ursprünglichen Audiosignal ist. Die Diode gleichrichtet das AM-Hochfrequenzsignal, so dass nur die positiven Spitzen der Trägerwelle übrig bleiben. Das Audiosignal wird dann mit Hilfe eines einfachen Filters aus der gleichgerichteten Trägerwelle extrahiert und in einen Audioverstärker oder Wandler eingespeist, der über einen Lautsprecher Schallwellen erzeugt. ⓘ

In der Mikrowellen- und Millimeterwellentechnik verbesserten und miniaturisierten die Forscher seit den 1930er Jahren den Kristalldetektor. Punktkontaktdioden (Kristalldioden) und Schottky-Dioden werden in Radar-, Mikrowellen- und Millimeterwellendetektoren verwendet. ⓘ

Energieumwandlung

Schema einer einfachen Wechselstrom-Gleichstromversorgung ⓘ

Gleichrichter sind aus Dioden aufgebaut und werden zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom verwendet. Ein gängiges Beispiel sind Lichtmaschinen für Kraftfahrzeuge, bei denen die Diode, die den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, eine bessere Leistung erbringt als der Kommutator oder früher die Lichtmaschine. In ähnlicher Weise werden Dioden auch in Cockcroft-Walton-Spannungsvervielfachern verwendet, um Wechselstrom in höhere Gleichspannungen umzuwandeln. ⓘ

Verpolungsschutz

Da die meisten elektronischen Schaltungen beschädigt werden können, wenn die Polarität ihrer Stromversorgungseingänge umgekehrt wird, wird manchmal eine Seriendiode zum Schutz vor solchen Situationen eingesetzt. Dieses Konzept ist unter verschiedenen Bezeichnungen bekannt, die alle dasselbe bedeuten: Verpolungsschutz, Verpolungsschutz und Batterieverpolungsschutz. ⓘ

Überspannungsschutz

Dioden werden häufig eingesetzt, um schädliche Hochspannungen von empfindlichen elektronischen Geräten abzuleiten. Unter normalen Umständen sind sie in Sperrichtung vorgespannt (nicht leitend). Wenn die Spannung über den normalen Bereich ansteigt, werden die Dioden in Durchlassrichtung vorgespannt (leitend). Dioden werden z. B. in (Schrittmotor- und H-Brücken-) Motorsteuerungs- und Relaisschaltungen verwendet, um Spulen schnell abzuschalten, ohne dass es zu schädlichen Spannungsspitzen kommt, die sonst auftreten würden. (Eine Diode, die in einer solchen Anwendung verwendet wird, nennt man Flyback-Diode). Viele integrierte Schaltungen enthalten auch Dioden an den Anschlussstiften, um zu verhindern, dass externe Spannungen ihre empfindlichen Transistoren beschädigen. Spezielle Dioden werden zum Schutz vor Überspannungen bei höherer Leistung verwendet (siehe Diodentypen oben). ⓘ

Logische Gatter

Dioden können mit anderen Komponenten kombiniert werden, um logische UND- und ODER-Gatter zu bilden. Dies wird als Diodenlogik bezeichnet. ⓘ

Detektoren für ionisierende Strahlung

Neben dem bereits erwähnten Licht sind Halbleiterdioden auch empfindlich gegenüber energiereicherer Strahlung. In der Elektronik verursachen die kosmische Strahlung und andere Quellen ionisierender Strahlung Rauschimpulse sowie Einzel- und Mehrfach-Bitfehler. Dieser Effekt wird manchmal von Teilchendetektoren ausgenutzt, um Strahlung zu erkennen. Ein einzelnes Strahlungsteilchen mit Tausenden oder Millionen von Elektronenvolt Energie erzeugt viele Ladungsträgerpaare, wenn seine Energie im Halbleitermaterial deponiert wird. Wenn die Verarmungsschicht groß genug ist, um den gesamten Schauer aufzufangen oder ein schweres Teilchen aufzuhalten, kann die Energie des Teilchens ziemlich genau gemessen werden, einfach durch Messung der durchgeleiteten Ladung und ohne die Komplexität eines Magnetspektrometers usw. Diese Halbleiter-Strahlungsdetektoren benötigen eine effiziente und gleichmäßige Ladungssammlung und einen geringen Leckstrom. Sie werden häufig mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Für Teilchen mit größerer Reichweite (etwa ein Zentimeter) benötigen sie eine sehr große Verarmungstiefe und eine große Fläche. Für Teilchen mit kurzer Reichweite müssen alle Kontakte oder nicht verarmten Halbleiter auf mindestens einer Oberfläche sehr dünn sein. Die Back-Bias-Spannungen liegen nahe am Durchbruch (etwa tausend Volt pro Zentimeter). Germanium und Silizium sind gängige Materialien. Einige dieser Detektoren messen sowohl die Position als auch die Energie. Ihre Lebensdauer ist begrenzt, insbesondere bei der Detektion schwerer Teilchen, da sie durch Strahlung beschädigt werden. Silizium und Germanium unterscheiden sich deutlich in ihrer Fähigkeit, Gammastrahlen in Elektronenschauer umzuwandeln. ⓘ

Halbleiterdetektoren für hochenergetische Teilchen werden in großer Zahl eingesetzt. Wegen der Energieverlustschwankungen ist eine genaue Messung der deponierten Energie weniger nützlich. ⓘ

Messungen der Temperatur

Eine Diode kann als Temperaturmessgerät verwendet werden, da der Durchlassspannungsabfall über der Diode von der Temperatur abhängt, wie bei einem Silizium-Bandlücken-Temperatursensor. Aus der obigen Gleichung der idealen Shockley-Diode könnte man schließen, dass die Spannung einen positiven Temperaturkoeffizienten hat (bei konstantem Strom), aber in der Regel ist die Schwankung des Sättigungsrückstromterms bedeutender als die Schwankung des thermischen Spannungsterms. Die meisten Dioden haben daher einen negativen Temperaturkoeffizienten, typischerweise -2 mV/°C für Siliziumdioden. Der Temperaturkoeffizient ist bei Temperaturen über etwa 20 Kelvin annähernd konstant. Einige Diagramme sind für die 1N400x-Serie und den CY7-Tieftemperatursensor angegeben. ⓘ

Stromsteuerung

Dioden verhindern, dass Ströme in ungewollte Richtungen fließen. Um einen elektrischen Schaltkreis während eines Stromausfalls mit Strom zu versorgen, kann der Schaltkreis Strom aus einer Batterie beziehen. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung kann auf diese Weise Dioden verwenden, um sicherzustellen, dass der Strom nur bei Bedarf aus der Batterie entnommen wird. Ebenso verfügen kleine Boote in der Regel über zwei Stromkreise mit jeweils eigener(n) Batterie(n): einen für den Motorstart und einen für die Haushaltsgeräte. Normalerweise werden beide von einer einzigen Lichtmaschine geladen, und eine Hochleistungs-Split-Charge-Diode verhindert, dass sich die Batterie mit der höheren Ladung (in der Regel die Motorbatterie) über die Batterie mit der niedrigeren Ladung entlädt, wenn die Lichtmaschine nicht läuft. ⓘ

Dioden werden auch in elektronischen Musiktastaturen verwendet. Um den Verdrahtungsaufwand in elektronischen Tastaturen zu verringern, werden in diesen Instrumenten häufig Tastaturmatrixschaltungen verwendet. Die Tastatursteuerung tastet die Zeilen und Spalten ab, um festzustellen, welche Note der Spieler gedrückt hat. Das Problem bei Matrixschaltungen ist, dass, wenn mehrere Noten gleichzeitig gedrückt werden, der Strom rückwärts durch die Schaltung fließen und "Phantomtasten" auslösen kann, die dann "Geisternoten" spielen. Um zu vermeiden, dass unerwünschte Noten ausgelöst werden, sind bei den meisten Tastatur-Matrixschaltungen Dioden mit dem Schalter unter jeder Taste der Musiktastatur verlötet. Das gleiche Prinzip wird auch für die Schaltmatrix in Festkörper-Flipperautomaten verwendet. ⓘ

Wellenform-Begrenzer

Dioden können verwendet werden, um die positive oder negative Auslenkung eines Signals auf eine bestimmte Spannung zu begrenzen. ⓘ

Klammer

Diese einfache Diodenklemme klemmt die negativen Spitzen der eingehenden Wellenform auf die gemeinsame Schienenspannung ⓘ

Eine Diodenklemmschaltung kann ein periodisches Wechselstromsignal, das zwischen positiven und negativen Werten oszilliert, vertikal so verschieben, dass entweder die positiven oder die negativen Spitzen bei einem vorgegebenen Pegel auftreten. Der Clamper begrenzt nicht die Spitze-zu-Spitze-Auslenkung des Signals, sondern verschiebt das gesamte Signal nach oben oder unten, um die Spitzen auf den Referenzpegel zu bringen. ⓘ

Abkürzungen

Dioden werden auf Leiterplatten gewöhnlich mit D für Diode bezeichnet. Manchmal wird auch die Abkürzung CR für Kristallgleichrichter verwendet. ⓘ

Mechanisches Ersatzmodell der Diode

Die Funktion einer Gleichrichterdiode im Stromkreis kann man sich am einfachsten wie ein Rückschlagventil im Wasserkreislauf vorstellen: Wenn ein Druck (eine Spannung) auf dieses Ventil (Diode) in Sperrrichtung wirkt, wird der Wasser-(Strom-)fluss blockiert. In Durchlassrichtung muss der Druck (die Spannung) groß genug werden, um die Federkraft des Ventils (= Schwellen- oder Schleusenspannung der Diode) zu überwinden. Dadurch öffnet das Ventil (die Diode), und der Strom kann fließen. Diesem Druck, welcher im mechanischen Modell zum Überwinden der Federkraft notwendig ist, entspricht bei einer Diode die so genannte Schwellenspannung ( $U_{\text{S}}$ ) oder minimale Vorwärtsspannung (engl. forward voltage drop), die in Flussrichtung an der Diode anliegen muss, damit sie in den leitenden Zustand übergeht. Bei gewöhnlichen Siliziumdioden liegt $U_{\text{S}}$ bei ca. 0,6 - 0,7 V. ⓘ

Geschlossenes Kugelrückschlagventil
Geöffnetes Kugelrückschlagventil
Fahrradventil; der Innendruck wirkt als Rückstellkraft ⓘ

Das Rückschlagventil verhält sich wiederum entsprechend der Shockley-Formel, die zur Beschreibung der Halbleiterdiode entwickelt wurde (siehe unten bei Ideale Diode). Die Formel eignet sich daher zur näherungsweisen Berechnung von Ventilen. ⓘ

Elektrisches Verhalten

Die Analyse elektrischer Schaltungen erfordert eine mathematische Beschreibung der Diode. Hierfür gibt es die grafische Strom-Spannungs-Kennlinie, exakte Gleichungen und vereinfachte Modelle. ⓘ

Statisches Verhalten

Das statische Verhalten beschreibt eine Diode bei Gleichspannung und gilt auch näherungsweise für Wechselspannungen mit niedriger Frequenz, etwa 50 Hz Netzspannung, aber je nach Ausführung auch bis in den MHz-Bereich. Durch eine veränderte Spannung bedingte Umverteilungsvorgänge im p-n-Übergang bleiben unberücksichtigt. ⓘ

Temperaturabhängigkeit

Die Diodenkennlinie variiert mit der Temperatur. In der Shockley-Gleichung sind zwei temperaturabhängige Terme enthalten:

{\begin{aligned}U_{\text{T}}(T)&={\frac {k\cdot T}{q}}=86{,}17\;{\frac {\mathrm {\mu V} }{\mathrm {K} }}\cdot T\\&\approx 25{,}8\;\mathrm {mV} {\text{  bei  }}T=300\;\mathrm {K} \end{aligned}}

{I_{\text{S}}(T)}={I_{\text{S}}(T_{0})}\cdot {\exp \left[\left({T \over T_{0}}-1\right)\cdot {{U_{\text{G}}} \over {nU_{\text{T}}}}\right]}\cdot {\left({T \over T_{0}}\right)^{\frac {x}{n}}{\text{ mit }}x\approx 3}

ⓘ

Dabei sind

${I_{\text{S}}(T_{0})}$ der bei der Temperatur $T_{0}$ als bekannt vorausgesetzte Sperrstrom,
$U_{\text{G}}$ die Bandabstandsspannung (gap voltage).

Für Silizium gilt $U_{\text{G}}={\frac {1{,}12\,\mathrm {eV} }{q}}=1{,}12\,\mathrm {V}$ . Diese Spannung dient (oft temperaturkompensiert) in der Bandabstandsreferenzschaltung zur Erzeugung von Referenzspannungen. ⓘ

Zusätzlich muss man auch die Temperaturabhängigkeit der Spannung berücksichtigen:

{\begin{aligned}\left.{\frac {\partial U_{\text{D}}}{\partial T}}\right|_{I_{\text{D}}={\text{const.}}}&={\frac {U_{\text{D}}-U_{\text{G}}-3\cdot U_{\text{T}}}{T}}\\&\approx -1{,}7\,\mathrm {{\frac {mV}{K}}{\text{  bei  }}T=300\;\mathrm {K} {\text{ und }}U_{\text{D}}(300\;\mathrm {K} )=0{,}7\,\mathrm {V} } \end{aligned}}

ⓘ

Dieser Temperaturdurchgriff ist im relevanten Temperaturbereich um 300 K konstant genug, um damit anhand der etwa linearen Temperaturabhängigkeit der Flussspannung Temperaturmessungen vornehmen zu können. ⓘ

Die Spannung von etwa 0,7 V kann in der Praxis tatsächlich für viele Überschlagsrechnungen als Wert der Flussspannung von Siliziumdioden und p-n-Übergängen angesetzt werden. ⓘ

Diffusionsstrom

Der Diffusionsstrom tritt im mittleren Durchlassbereich auf, wo er über die anderen Effekte dominiert. Die Formel ergibt sich aus der Shockley-Gleichung mit:

I_{\text{D,D}}=I_{\text{S}}\left(\mathrm {e} ^{\frac {U_{\text{D}}}{nU_{\text{T}}}}-1\right)

Bei Schottky-Dioden kann mit derselben Formel der Emissionsstrom beschrieben werden. ⓘ

Hochstromeffekt

Der Hochstromeffekt bewirkt eine Zunahme von $n$ im Bereich der mittleren Ströme auf $2n$ bei $I_{K}$ für $I_{D}$ gegen unendlich. Hierbei beschreibt der Kniestrom $I_{K}$ die Grenze zum Hochstrombereich. Es fließt dadurch weniger Strom, und die Kennlinie besitzt einen flacheren, aber weiterhin exponentiellen Verlauf. ⓘ

Differentieller Widerstand

Der differentielle Widerstand ergibt sich aus der Tangente durch den Arbeitspunkt der Diode. Er wird auch als dynamischer Widerstand bezeichnet. Durch die Verwendung einer Geraden anstatt der tatsächlichen Exponentialfunktion werden die benötigten Rechenschritte wesentlich vereinfacht. ⓘ

Vereinfachte Kennlinie (grün) ⓘ

r_{\text{D}}=\left.{\frac {\mathrm {d} U_{\text{D}}}{\mathrm {d} I_{\text{D}}}}\right|_{A}={\frac {n\cdot U_{\text{T}}}{I_{\text{D, A}}+I_{\text{S}}}}{\stackrel {\,I_{\text{D,A}}\gg I_{\text{S}}\,}{\approx }}{\frac {n\cdot U_{\text{T}}}{I_{\text{D, A}}}}

ⓘ

Arbeitspunkt: A ⓘ

Bei großen Strömen wird $r_{\text{D}}$ sehr klein, und der Bahnwiderstand $R_{\text{B}}$ tritt zunehmend in Erscheinung. Dies ist ein realer Widerstand und rührt wesentlich aus der Leitfähigkeit des Grundmaterials des Diodenchips. Er ist im Ersatzschaltbild mit $r_{\text{D}}$ in Serie. ⓘ

Die Ersatzschaltung mit $r_{\text{D}}$ und $R_{\text{B}}$ eignet sich je nach Diodentyp nur bis zu Frequenzen von 10 bis 100 kHz. Bei höheren Frequenzen, wie sie auch beim Ein- und Ausschalten auftreten, muss man zusätzlich die kapazitiven Eigenschaften sowie die Sperrerholzeit der Diode berücksichtigen. ⓘ

Bahnwiderstand

Der Bahnwiderstand $R_{B}$ wird durch den elektrischen Widerstand des Halbleitermaterials sowie dem Widerstand des Anschlusses am Halbleiter verursacht. Der Bahnwiderstand wird durch die folgende Formel berücksichtigt:

U_{\text{D}}=U'_{\text{D}}+I_{\text{D}}\cdot R_{\text{B}}

ⓘ

Statisches Kleinsignalmodell

Kleinsignalmodell einer Diode ⓘ

Das statische Kleinsignalmodell wird zur Dimensionierung der Arbeitspunkteinstellung von einfachen Schaltungen herangezogen. Hier entspricht $r_{\text{D}}$ dem bereits genannten differentiellen Widerstand (s. o.). Hinzu kommt gegebenenfalls noch der Bahnwiderstand. ⓘ

r_{\text{D}}=r_{\text{D,D}}\approx {\frac {n\cdot U_{\text{T}}}{I_{\text{D,A}}}}

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Für den Betrieb um den Rückwärtsdurchbruch, also als Z-Diode, dient der Parameter $r_{Z}$ zur Modellierung des Verhaltens. ⓘ

r_{Z}=r_{\text{D,BR}}={\frac {n_{\text{BR}}\cdot U_{\text{T}}}{\left|I_{\text{D,A}}\right|}}

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Dynamisches Kleinsignalmodell

Für Wechselstromanwendungen muss man auch die Kapazitäten der Diode berücksichtigen, welche vor allem bei hohen Frequenzen hervortreten. Hierbei unterscheidet man zwischen der Sperrschichtkapazität und der für Schaltanwendungen bedeutenden Diffusionskapazität. ⓘ

Das dynamische Kleinsignalmodell berücksichtigt zusätzlich zum statischen Kleinsignalmodell auch die Kapazität der Diode. Damit kann man auch einfache (Niederfrequenz-)Schaltungen mit Kapazitätsdioden dimensionieren. ⓘ

r_{\text{D}}\approx {{n\cdot U_{\text{T}}} \over {I_{\text{D,A}}}}

C_{\text{D}}\approx {{{{\tau }_{\text{T}}\cdot I_{\text{D,A}}} \over {n\cdot U_{\text{T}}}}+2\cdot C_{\text{S0}}}={{{\tau }_{\text{T}} \over r_{\text{D}}}+2\cdot C_{\text{S0}}}

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JEDEC

Die Beschriftung für Dioden gemäß JEDEC setzt sich aus einer Zahl und einem Buchstaben sowie einer weiteren vierstelligen Zahl zusammen (z. B. „1N4148“). Die vierstellige Zahl kann hierbei in der folgenden Farbcodierung angegeben sein:

Farbe	schwarz	braun	rot	orange	gelb	grün	blau	violett	grau	weiß ⓘ
Wert	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9

Pro-Electron

Die Beschriftung der Dioden nach Pro-Electron setzt sich aus zwei bis drei Buchstaben und einer zwei- bis dreistelligen Zahl zusammen. ⓘ

Beispiele: B A 159, B A T 20 ⓘ

Kennbuchstabe = Ausgangsmaterial
Kennbuchstabe = Hauptfunktion
Kennbuchstabe = Hinweis auf kommerziellen Einsatz (als dritter Buchstabe wird bei kommerziellen Bauelementen X, Y oder Z benutzt)
Ziffern = Registernummer (2 oder 3 Ziffern) ⓘ

Die Buchstaben-Ziffernfolge kann alternativ als Farbcode angegeben werden:

Farbe	1. Ring	2. Ring	3. Ring	4. Ring ⓘ
schwarz		X	0	0
braun	AA		1	1
rot	BA		2	2
orange		S	3	3
gelb		T	4	4
grün		V	5	5
blau		W	6	6
violett			7	7
grau		Y	8	8
weiß		Z	9	9

Kenngrößen

Halbleiterdioden (Signaldioden, Gleichrichterdioden, aber auch Laser-, Schutz- und Leuchtdioden) haben bestimmte Kenngrößen zur Spezifikation. Sie sind in den Datenblättern genannt und sind wichtig für die Anwendung und die Bemessung deren Beschaltung mit anderen Bauteilen. ⓘ

Die wichtigsten Kenngrößen und Grenzwerte von Dioden sind:

maximal zulässige Sperrspannung (Gleichrichter- und Signaldioden, Leucht- und Laserdioden)
maximaler Dauer- und Spitzenstrom in Durchlassrichtung (Gleichrichter- und Signaldioden, Leucht- und Laserdioden)
die Flussspannung oder auch Schleusenspannung $U_{\text{F}}$ bei einem bestimmten Strom (⅟₁₀ Nennstrom für Gleichrichterdioden)
bei Zenerdioden die maximale Dauer-Verlustleistung und die Zenerspannung
bei Gleichrichter- und Signaldioden die Schaltzeit (auch Sperrverzögerungszeit oder Sperr-Erholzeit, engl. reverse recovery time, kurz t_rr genannt)
bei Suppressordioden (TVS) die Ansprechzeit, die Energie und die Spitzenleistung, die beim Avalanche-Durchbruch in Sperrrichtung absorbiert werden kann, die Durchbruchspannung sowie die maximal ohne Durchbruch garantierte Spannung in Sperrrichtung
insbesondere bei Schottkydioden der stark temperaturabhängige Leckstrom (Sperrstrom) ⓘ

Wortherkunft

Das Wort Diode stammt von altgriechisch δίοδος díodos „Durchgang“, „Pass“, „Weg“; das weibliche Substantiv setzt sich zusammen aus der Präposition διά diá „durch“, „hindurch“ sowie dem Wort ὁδός hodós „Weg“. ⓘ