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2. Dioden und Transistoren

2.1 Stromleitung in Halbleitern

Video-Transkript (Alternativ zur Erklärung im Video)

Eine quantenmechanische Betrachtung

Abb. 5: Bohrsches Atommodell und Bändermodell

Das oben dargestellte Modell der Leitfähigkeit in Halbleitern soll nun noch etwas tiefer betrachtet werden. Im Bohrschen Atommodell (Abbildung 5, 1) wird davon ausgegangen, dass die Elektronen im Atom sich auf bestimmte Kreisbahnen um den Kern bewegen - ähnlich der Planeten im Planetensystem. Dabei sind stärker gebundene Elektronen auf nähere Bahnen und schwächere auf Bahnen weiter außen. Auch dies verhält sich ähnlich zu Trabanten im Gravitationsfeld, die, wenn sie weiter vom Zentrum entfernt sind, schwächer angezogen werden. Bohr postulierte 3 Axiome, damit Modell und Messergebnisse plausibel zusammenpassen:

1. Die Kreisbahnen sind diskret. Es gibt nur bestimmte Bahnen auf denen sich die Elektronen bewegen dürfen
   (und damit diskrete Energien für die Elektronen)
2. Jeder Sprung eines Elektrons von einer auf eine andere Bahn geht mit einer Energieaufnahme oder -abgabe einher.
3. Die genauen Energiebeträge der Bahnen ergeben sich durch die Quantenphysik.

Leider erzeugt diese Darstellung etliche physikalische Widersprüche - das Modell ist aber für die Erklärung der Leitfähigkeit in Halbleitern ausreichend¹⁾. Das Bohrsche Atommodell und die Oktettregel (Tendenz der höheren Bahnen mit 8 Elektronen gesättigt zu sein) genügen um einen tieferen Einblick in die Halbleiterphysik zu erlangen.

Abbildung 5 1a zeigt die Elektronen auf den diskreten Kreisbahnen, d.h. in einem $x$-$y$-Koordinatensystem. Stärker gebundene Elektronen sind in schwarz auf inneren Bahnen dargestellt; auf der äußersten nicht-vollständig besetzten, grünen Bahn sind die Elektronen in blau eingezeichnet. Neben den besetzten Bahnen sind auch weitere, äußere, nicht-besetzte Bahnen vorhanden (blau in Abbildung 5 1a).
Die gleichen Elektronen können auch in ein $x$-$W$-Koordinatensystem einsortiert werden (siehe Abbildung 5 1b). Dabei ist $W$ die Bindungsenergie, bzw. Arbeit die frei wird, wenn ein ungebundenes Elektron in die betrachtete Bahn springt. Der Ursprung der Bindungsenergie (also die Bindungsenergie eines ungebundenes Elektrons: $W=0$) ist oberhalb der unbesetzten Niveaus. Der Betrag der Bindungsenergie des vollständig besetzten Niveaus ist also wie erwartet am höchsten. Durch die diskreten Bahnen ergeben sich auch auf der Energie-Achse diskrete Energieniveaus.

Betrachtet man statt eines einzelnen Atoms einen Ausschnitt aus einem Festkörper, so ändert sich die Elektronenkonfiguration. In Abbildung 5 2a ist die Situation wieder im $x$-$y$-Koordinatensystem dargestellt. Die inneren Elektronen und der Kern sind hier nun auf einen einzelnen, gelben Kreis mit den resultierten Ladungen reduziert. Die Elektronen aus den (im Beispielatom) teilbesetzten Niveaus erfüllen nun die Oktettregel.
Je nach Element ergeben sich aber hier unterschiedliche Eigenschaften der Elektronen. In Metallen sind die Elektronen frei beweglich - also eine gute Leitfähigkeit messbar, in Halbleitern aber zunächst nicht. Diese Aussage lässt sich nicht durch das Bohrsche Atommodell, aber durch das Bändermodell und etwas Quantenphysik sehr gut erklären. Wie bereits für das Atom werden nun die Elektronen des Festkörpers in ein $x$-$W$-Koordinatensystem eingetragen. Hier sind nun viele Elektronen aus gleichen atomaren Niveaus nahe beieinander. Die Gesetze der Quantenphysik verbieten, dass Elektronen am gleichen Ort exakt das gleiche Energieniveau besetzen. Daraus ergibt sich eine Verbreiterung der diskreten Niveaus zu Energiebändern (Abbildung 5 2b). Im Beispiel ist ein Halbleiter gezeichnet. Im Halbleiter ist das energetisch höchst-gelegene Band vollständig besetzt. Das energetisch höchst-gelegene und besetzte Band wird Valenzband, das nächsthöhere nicht-besetzte (oder nicht-vollständig besetzte) Band wird Leitungsband genannt. Der energetische Abstand zwischen Leitungs- und Valenzband wird Bandlücke genannt. Das Leitungsband des Halbleiters entspricht gerade den in der $x$-$y$-Koordinatensystem stark gebundenen Elektronen. Es sind also im Halbleiters zunächst keine bewegliche Elektronen vorhanden (das Leitungsband ist unbesetzt, das Valenzband ist vollständig besetzt). Die Bandlücke bei Halbleitern liegt in etwa im Bereich von $0,1 ... 4eV$ ²⁾
Elektronen können mit Zuführung von Energie aus den Bindungen gelöst werden. Die benötigte Energie kann ein Elektron auf zwei Arten erhalten: Entweder durch eine Anregung des elektromagnetischen Feldes, also einem Lichtquant, oder durch eine Anregung des elastischen Feldes, also Gitterschwingungen des Kristalls. Lichtquanten werden auch Photonen, quantisierte Gitterschwingungen auch Phonon genannt. Im Abbildung 5 2a oben links wird ein Photon von einem Elektron absorbiert und damit aus der Bindung gerissen. Das Elektron nimmt die Energie des Photons auf. Es wird angeregt und um diesen Betrag auf der $W$-Achse angehoben. Daraus ergibt sich auch, dass nur Energiequanten absorbiert werden können, die ein Anheben auf ein vorhandenes und freies Niveau ermöglichen. Durch die Energieaufnahme ergibt sich im Leitungsband ein im Kristall bewegliches Elektron. Zudem hinterlässt das Elektron im Valenzband ein positiv-geladenes Loch. Diesen Prozess nennt man Generation von Elektronen-Loch Paaren. Zur Leitfähigkeit tragen im undotierten Halbleiter sowohl Elektronen- als auch Löcherleitung bei. Der umgekehrte Prozess - die Rekombination von Elektronen mit Löchern, findet in Silizium nach einigen Dutzend Mikrosekunden, bzw. einigen Dutzend Mikrometern statt. Dabei wird der Energiebetrag der Bandlücke wieder abgegeben.

Abb. 6: Bändermodell und Dotierung

Da das Kristallgitter bei Raumtemperatur bereits thermische Energie enthält (die Atomrümpfe bewegen sich), sind auch Phononen im Kristall vorhanden. Die Phononen haben eine breite, energetische Verteilung. Bei Raumtemperaturen liegt die durchschnittliche Energie eines Phonons bei $k_B\cdot T = 26 meV$. Bei Silizium haben etwa 0,000 000 000 01 % (etwa jedes $10^{13}$te) der Phononen hinreichend viel Energie, um ein Elektron vom Valenzband zum Leitungsband zu heben. Dies reicht aber aus, um bei Raumtemperatur und einem Volumen von $1 cm^3$ (etwa $5\cdot 10^{22}$ Atome) reinem Silizium etwa 10 Milliarden Ladungsträger ($10^{10}$) bereitzustellen. Diese Ladungsträger ermöglichen die oben beschriebene Eigenleitung.

Im vorherigen Unterkapitel wurde auch eine weitere Möglichkeit beschrieben, wie die Anzahl der Ladungsträger erhöht werden kann: die Dotierung mit Fremdatomen. Diese setzt voraus, dass das verwendete Halbleitermaterial sehr rein und kristallin gewachsen ist. Verunreinigungen und kristalline Störstellen können ebenso leitfähige Ladungsträger erzeugen. Das Halbleitermaterial sollte weniger als einen Defekt pro $10^{10}$ Atome haben (entspricht etwa einem Menschen auf die Menschheit). In diesem Fall würde darin die Eigenleitung überwiegen. Zur Dotierung wird ein Fremdatom auf $10^5...10^{10}$ Halbleiteratome dazu gegeben. Im Bändermodell ergibt eine n-Dotierung zusätzliche Elektronen im Leitungsband und zusätzliche positiv geladene, feststehende Rekombinationszentren durch die feststehenden, positiven Atomrümpfe, sogenannte (Elektronen-)Donatoren (Abbildung 6: rote Markierung bei n-Dotierung in b,c,d). Eine p-Dotierung erzeugt zusätzliche Löcher im Valenzband und feststehende negativ geladene Rekombinationszentren, sogenannte (Elektronen-)Akzeptoren.

2.2 PN-Übergang und Funktionsprinzip einer Diode

Video-Transkript

Im der unten abgebildeten Simulation werden drei Beispiele für Dioden in Schaltungen betrachtet.
Im ersten Beispiel links ist die Spannungsquelle so gepolt, dass die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist. Die Glühlampe leuchtet.
Im ersten Beispiel rechts sperrt die Diode. Die Glühlampe bleibt dunkel.
Im zweiten Beispiel (mitte) ist eine ideale Diode - also ein richtungsabhängiges Stromventil - zu sehen. Daneben ist die Übertragungskennlinie bzw. Strom-Spannungs-Kennlinie (in diesem Fall auch Diodenkennlinie genannt) abgebildet. Die Spannung an der Diode ist dabei auf der x-, der Strom durch die Diode auf der y-Achse abgetragen. Die Diode ist bei allen Spannungen unter 0V nicht-leitend, bei allen Spannungen darüber leitet Sie den Strom.
Im letzten Beispiel (rechts) ist eine reale Diode verschaltet. Die reale Diode unterscheidet sich in folgenden Punkten von der idealen Diode:

1. Die reale Diode hat keinen so steilen Anstieg
2. Die reale Diode hat einen nicht-linearen Widerstand; sie ist kein ohmscher Widerstand
3. Die reale Diode scheint eine Mindestspannung zu benötigen, um einen Strom fließen zu lassen.

Die Details zur realen Diode werden in Folgenden beschrieben.

Abb. 8: Entstehung des p-n-Übergangs

In einer Diode stoßen zwei verschieden dotierte Schichten von Silizium aufeinander: p-dotiertes Silizium („p-Kristall“) auf der einen und n-dotiertes Silizium („n-Kristall“) auf der anderen Seite.

Es soll zunächst die Situation ohne äußere Spannung betrachtet werden (vergleiche Abbildung 8). Auf der n-dotierte Seite werden sich bei Raumtemperatur viele frei beweglichen Elektronen lösen und Akzeptoren ortsfest hinterlassen. Gleiches ist auf der p-dotierten Seite zu sehen: die frei beweglichen Löcher hinterlassen Donatoren. in der Mitte, am pn-Übergang, treffen beide bewegliche Ladungsträger, Elektronen und Löcher, aufeinander. Beim direkten Aufeinandertreffen werden beide Ladungsträger sich aufheben, sie rekombinieren. Dabei entsteht ein Photon (elektromagnetische Schwingung) und/oder ein Phonon (Gitterschwingung). Durch die Rekombination bildet sich eine Schicht, die Sperrschicht, welche weitgehend frei von freien beweglichen Ladungsträgern ist. Die Sperrschicht wirkt zunächst als Isolator.

Mit äußerer Spannung $U_D$ an der Diode sind zwei Fälle zu unterscheiden (Abbildung 9):

1. Anlegen einer positiver Spannung von p-dotierte Seite nach n-dotierter Seite
   (Diodenspannung = Vorwärtsspannung $U_D = U_F$, $U_F>0$).
2. Anlegen einer negativen Spannung von p-dotierte Seite nach n-dotierter Seite
   (Diodenspannung = Sperrspannung $U_D = -U_R$, $U_R>0$).

Abb. 9: Funktionsweise einer Halbleiterdiode

Zur Erstellung der Dioden-Kennlinie kann ein Dreieck- oder Sägezahn-Signal aufgebracht werden (siehe Falstad-Simulationen).

Vorwärtsspannung $U_F>0$

Wird an die p-dotierte Seite ein positives Potential angelegt, so werden die dort frei beweglichen Löcher zum pn-Übergang getrieben. Auf der n-dotierten Seite liegt dann negatives Potential, das die frei beweglichen Elektronen ebenfalls in Richtung pn-Übergang treibt. Am pn-Übergang können Löcher und Elektronen sich gegenseitig neutralisieren. So können weiter Löcher vom Pluspol und Elektronen vom Minuspol nachrücken und es fließt ein elektrischer Strom durch die Diode. Die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet. Bei den üblichen Dioden fallen in Durchlassrichtung ungefähr $0,7 V$ ab. Das heißt der Strom passiert die Diode natürlich nicht komplett widerstandslos, sondern es muss dafür die Schleußenspannung $U_F$ von ca. $0,7 V$ von außen angelegt werden.³⁾. Diese Spannung ergibt sich aus der auf ein Elektron bezogenen Energiedifferenz der Bandlücke, welche bei Silizium etwa $1,1eV$ beträgt, aber durch die thermische Energie (Phononen) verringert wird. Bei genauerer Betrachtung gleicht der Verlauf einer Exponentialfunktion. Diese lässt sich durch die Shockley-Gleichung beschreiben:

Aus der exponentiellen Funktion lassen sich mehrere Konsequenzen ableiten:

1. Die Durchlassspannung $U_F$ von ca. $0,7 V$ ist davon abhängig, welcher Strom(/Spannungs-)bereich betrachtet wird. $0,6...0,7V$ ist ein geeigneter Wert für Störme im Bereich von $5...100mA$. Dieser Bereich ist wird in den meisten Schaltungen genutzt. Bei kleineren Strömen sinkt auch die Durchlassspannung $U_F$
   (z.B. für $5...100\mu A \rightarrow ca. 0,4V$,   $0,1...1\mu A \rightarrow ca. 0,2V$, siehe folgende Falstad Simulation).
2. Die Durchlassspannung und der Spannungsverlauf ist temperaturabhängig. Je höher die Temperatur, desto mehr Strom fließt bei gleicher Spannung. Wird also eine Diode direkt an eine Spannungsquelle angeschlossen, so würde bei Strömen über ca $50mA$ über die Eigenerwärmung ⁴⁾ der Strom stark ansteigen bis zum / über den Maximalstrom.

Sperrspannung $U_R>0$

Wird die Diode entgegengesetzt kontaktiert, also Pluspol an der n-dotierten Seite und Minuspol an der p-dotierten Seite, kann dagegen kein Strom fließen. Denn aus der n-dotierten Seite werden die freien Elektronen vom Pluspol abgesaugt, und aus der p-dotierten Seite werden die freien Löcher entfernt. Dazwischen entsteht eine sogenannte Verarmungszone ohne freie Ladungsträger. Durch diese Verarmungszone kann keine elektrische Ladung transportiert werden und die Diode kann „keinen Strom“ leiten. Die Diode ist in Sperrrichtung geschaltet. Tatsächlich kann die Diode dennoch einen sehr kleinen Sperrstrom $\boldsymbol{I_S}$ leiten: Durch die thermische Energie werden immer wieder freien Elektronen und freie Löcher gebildet, die eine Leitfähigkeit ermöglichen. Dadurch ist auch klar, dass der Sperrstrom temperaturabhängig ist. $I_S(T)$ liegt im Bereich $100nA...10\mu A$.

Wird die Sperrspannung betragsmäßig weiter erhöht, dann werden immer stärker die freien Ladungsträger abgesaugt. Ab einer bestimmten negativen Spannung wird die Energie der frei bewegliche Ladungsträger so groß, dass diese weitere Ladungsträger herausschlagen, welche wiederum welche herausschlagen. Dadurch ergeben sich lawinenartig viele frei bewegliche Ladungsträger und die Diode wird abrupt leitend. Diese Situation wird Durchbruch genannt. Die Spannung wird, nach dem Entdecker Clarence Zener, mit $U_Z$ bezeichnet. Für eine gewöhnliche Diode ist der Durchbruch problematisch, da er nicht bei einer definierten Spannung auftritt. Ohne genaue Kenntnis dieser Spannung wird durch den schnellen Stromanstieg die Diode schnell zerstört. Neben dem Lawinen-Durchbruch bei hohen negativen Spannungen gibt es bei hoch-dotierten Materialien aufgrund quantenmechanischer Prozesse einen Zener-Durchbruch bei niedrigen Spannungen. Durch geeignete Strukturierung ist es möglich beide Effekte in der sogenannten Z-Diode zu kombinieren. Dies hat zwei große Vorteile: einerseits ist es damit möglich Dioden zu erzeugen, die bei beliebigen (negativen) Spannungen durchlassen. Andererseits lässt sich damit die Temperaturabhängigkeit des Verlaufs kompensieren.

In der Dioden-Kennlinie $I_D(U_D)$ sind die einzelnen Spannungsbereiche nach den jeweiligen Wirkungen bezeichnet: Durchbruchbereich ($U < U_Z$), Sperrbereich ($U_Z < U < U_F$), Durchlassbereich ($U > U_F$).

2.3 Spezialdioden

Neben der bisher besprochenen Silizium-PN-Diode und der Z-Diode sind noch weitere Dioden für verschiedene Anwendungen vorhanden. Im folgenden sollen die wichtigsten kurz beschrieben werden.

PIN-Diode

Bei der PIN-Diode liegt zwischen p-dotiertem und n-dotiertem Bereich liegt ein undotierter Bereich (intrisisch leitend). Der Name leitet sich also aus den vorhandenen Schichten der Diode ab. In allen Dioden ergibt sich durch die ladungsträgerfreie Sperrschicht ein Kondensator. Die Kapazität dieses Kondensators ist reziprok proportional zum Abstand $d$ zwischen den leitfähigen Bereichen: $C=\frac{1}{d}$. Durch den zusätzlich eingefügten undotierten Bereich wird $d$ größer und damit die Kapazität kleiner. Diese Kapazität wird bei Wechselspannungsanwendungen im Wechsel geladen und entladen. Eine geringere Kapazität verbessert das Sperrverhalten bei hohen Frequenzen. Die verbreiterte Sperrschicht erhöht zudem die Spannungsfestigkeit der Diode.

Photodiode (Solarzelle)

Eine Photodiode ist eine PIN-Diode, welche so aufgebaut ist, dass der Querschnitt der Sperrschicht eine sehr große Fläche einnimmt. Der Aufbau einer Photodiode ist: n-dotierte Schicht, intrinsisch-leitende Schicht, p-dotierte Schicht. Trifft ein Photon auf die Diode, so wird ein Elektron-Loch-Paar generiert, welches durch das elektrische Feld im PN-Übergang getrennt wird: die Elektronen reichern sich in der n-dotierten Schicht an, die Löcher in der p-dotierten Schicht. Wird die dadurch gebildete Spannung als Quellspannung genutzt, so spricht man von einer Solarzelle. Bei eine Photodiode werden die Ladungsträger spannungsfrei abgeführt. Die Anzahl der Ladungsträger ist dabei proportional zu den absorbierten Photonen.

Germanium-Diode

Bei der Germanium-Diode wird als Halbleiter Germanium statt Silizium verwendet. Germanium hat eine kleinere Bandlücke und damit auch eine geringere Durchlassspannung von etwa $U_D=0,3V$. Damit ist die Germanium-Diode bei kleinen Strömen und Spannungen bereits näher an einer idealen Diode. Nachteilig im Vergleich zu Silizium-PN-Dioden ist, dass der in Sperrrichtung vorhandene Sperrstrom größer und der Anstieg in Durchlassrichtung geringer ist. Salopp gesagt „sperrt“ die Diode nicht ganz so gut und der „Knick“ in der Kennlinie ist weniger ausgeprägt.

Schottky-Diode

Auch bei der Schottky-Diode wird ein anderes Material verwendet. Bei der Silizium-Schottky-Diode wird aber nur auf der bisher p-dotierten Seite ein Metall statt Silizium genutzt. Dadurch entfallen die Löcher als Ladungsträger, was ein „schnelleres Schalten“ ermöglicht: verfügbare Schottky-Dioden haben eine Durchlassspannung im Bereich von $U_D=0,15...0,45V$. Zwar haben die Silizium-Schottky-Dioden ähnliche Vor- und Nachteile wie die Germanium-Diode, die Nachteile wie höherer Sperrstrom (im Vergleich zu Silizium-PN-Diode) und die geringere Steigung sind aber weniger ausgeprägt. In den meisten Anwendungen ist die Silizium-Schottky-Diode der Germanium-Diode überlegen. Bei Leistungsanwendungen werden Siliziumcarbid-Schottky-Dioden mit einer Durchlassspannung von $U_D=0,8V$ verwendet. Durch die große Bandlücke des Siliziumcarbids ergibt sich eine geringere Eigenleitung. Das führt dazu, dass Siliziumcarbid-Schottky-Dioden auch bei hohen Temperaturen (und damit hohe Verluste und Spannungen) betrieben werden können.

(O)LED

Bei der (organic) light-emitting diode werden andere (auch organische) Halbleitermaterialien statt Silizium verwendet. Diese sind so optimiert, dass durch die Rekombination in Durchlassrichtung im wesentlichen Photonen einer bestimmten Wellenlänge gebildet werden. Dafür ist eine große Bandlücke notwendig, welche auch eine hohe Durchlassspannung $U_D>2V$ erzeugt. Wie bei allen Dioden muss bei LEDs darauf geachtet werden, dass durch den negativen Temperaturkoeffizienten die Diode nicht bei hohen Strömen einen defekt erleidet: Jede LED benötigt einen Vorwiderstand, der so ausgelegt sein soll, dass der Strom begrenzt wird. In der Regel sind LED auf $I_D=20mA$ ausgelegt. Eine schöne Übersicht der verschiedenen Spannungen und Maximalströme finden sich auf Reicheltpedia; für eine konkrete Verwendung einer LED sollte das Datenblatt inspiziert werden.

Die folgende Simulation ermöglicht einen Vergleich verschiedener Dioden im Spannungsbereich $U=\pm0,05V$. Dadurch werden die unterschiedlichen Sperrströme $I_S$ im negativen Spannungsbereich und der frühe Anstieg von Germanium und Schottky-Dioden sichtbar.

2.4 Rechnungen mit Dioden

Die idealisierte Diode besteht aus:

• einer idealen Diode, welche maximal leitfähig ist, wenn $U>0$,
• einer Spannungsquelle, welche die Durchlassspannung bereitstellt: $U_Q = U_D$
• einem ohmschen Widerstand mit einen Widerstandswert in der Art, dass für den gewünschten Spannungsbereich (=Arbeitspunkt) die reale Diodenkennlinie angenähert wird. Dieser Widerstand wird differentieller Widerstand $r_D$ genannt.

Ist man nur an dem Verhalten der Diode in bei Spannungen oberhalb der Durchlassspannung ($U>U_D$) interessiert, dann kann die Ideale Diode auch entfernt werden. In den nebenstehenden Videos sind zwei der wesentlichen Rechnungen im Umgang mit Dioden gezeigt

2.6 Anwendungen

Dioden werden in unterschniedlichen Anwendungen verwendet. Eine häufig genutzte Anwendung sind Gleichricher, welche eine Wechselspannung in eine Gleichspannung wandeln. Dabei wird der Einweggleichrichter und der Brückengleichrichter oder Vollweggleichrichter unterschieden.

Weitere Anwendungen der Diode sind unter anderem in der Verschiebung eines Spannungsverlaufs in den positiven Bereich, das "Freilaufen" des Stroms einer Induktivität, Spannungsvervielfacher (auch kaskadierbar) oder Überspannungsschutz.

Aufgaben

Lernfragen

• Zeichnen Sie in einem U-I Diagramm die Kennlinie eines einer idealen Diode und einer realen Siliziumdiode ein und erklären Sie die Unterschiede.
• Was versteht man unter n- und p-dotiert?
• Wie bildet sich eine Sperrschicht innerhalb der Diode?
• Was versteht man unter einer Schwellenspannung?
• Warum fällt an einer Diode Spannung ab?
  • Skizzieren Sie den Schichtenaufbau einer Diode und bezeichnen Sie die drei gebildeten Schichten.
  • Welche Art freier Ladungsträger ist in diesen Schichten jeweils verfügbar?
  • Zeichnen Sie die entstehenden elektrischen Felder in der Diode ein, wenn kein äußeres Feld anliegt.
  • Erklären Sie, wie durch eine externe Spannung die Diode in einen leitfähigen Zustand gebracht werden kann.
• Erklären Sie die Funktionsweise einer Diode anhand einer Skizze. Zeichnen Sie folgende Bereiche ein: p-dotierter Teil, n-dotierter Teil, Sperrschicht.
• Gegeben ist ein Schichtaufbau einer Diode (n-Dotierung und p-Dotierung erkennbar). Wie müsste die Diode angeschlossen werden, damit sie Strom durchlässt?
• typische Diodenkennlinie für Siliziumdioden
  • Zeichnen sie eine Kennlinie für Siliziumdioden.
  • Welche Spannung ist hierbei kennzeichnend? (Fachbegriff der Spannung, Größe der Spannung, relevanter Strombereich)
  • Fügen Sie die Fachbegriffe der drei relevanten Spannungsbereiche ein.
• Z-Diode
  • Erklären Sie das Funktionsprinzip einer Z-Diode anhand ihrer Kennlinie.
  • Zeichnen Sie den Stromverlauf einer 6V8 Diode in ein Spannungs-Strom-Diagramm ein.
• Was muss bei der Wahl eines Diodentyps beachtet werden?
• Nennen Sie drei Anwendungsfälle von Dioden und skizzieren Sie den Aufbau.
• Gleichrichterschaltungen
  • Zeichnen Sie einen Einweggleichrichter. Zeichnen Sie einen Brückengleichrichter.
  • Gegeben ist eine sinusförmige Eingangsspannung von 3V. Zeichnen Sie den Signalverlauf der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der beiden Gleichrichter über 2 Perioden für 50 Hz in ein Diagramm.
  • Wie kann die Ausgangsspannung geglättet werden? Wie kann der Ausgangsstrom geglättet werden?
  • Gegeben ist eine sinusförmige Eingangsspannung von 3V. Was ist zu beachten, wenn sehr hohe Frequenzen gleichgerichtet werden sollen? Zeichnen Sie einen möglichen Signalverlauf der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der beiden Gleichrichter über 2 Perioden für 50 GHz in ein Diagramm.
• Zeichnen Sie eine Schaltung, mit welcher die positive Halbwelle einer Sinusspannung abgeschnitten werden kann.

Referenzen zu den genutzten Medien

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Video: Stromkreiselemente - Dioden und Transistoren - Teil 1	CC-BY (Youtube)	https://www.youtube.com/watch?v=YB3pQ7P8SNg
Video: Stromkreiselemente - Dioden und Transistoren - Teil 2	CC-BY (Youtube)	https://www.youtube.com/watch?v=HdXaTn-JRCo
Abbildung 2	CC-BY-SA 3.0	https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schema_-_n-dotiertes_Silicium.svg
Abbildung 7	CC-BY-SA 3.0	https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schema_-_n-dotiertes_Silicium.svg
Abbildung 1	CC-BY-SA 3.0	https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Schema_-_p-dotiertes_Silicium.svg