DIE DIODE FUNKTIONSWEISE EINER DIODE Auch die Diode ist eine Art Widerstand. Sie ist ______________ . Die Funktionsweise ist gut mit der Röhrendiode.

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1 DIE DIODE FUNKTIONSWEISE EINER DIODE Auch die Diode ist eine Art Widerstand. Sie ist ______________ . Die Funktionsweise ist gut mit der Röhrendiode erklärbar, diese ist aber nicht, wie die Halbleiter-Diode aus Halbleitern aufgebaut: richtungsabhängig

2 Die Elektronen werden vom Minuspol zur Kathode getrieben
Die Elektronen werden vom Minuspol zur Kathode getrieben. Sie können nun durch die Röhre, in der sich Vakuum befindet, hindurch zur Anode, zum positiven Pol der Spannungsquelle.

3 Die Diode sperrt. Sie ist in Sperrichtung gepolt.

4 Die Elektronen gelangen vom Minuspol zur Anode, dem positiven Pol der Röhrendiode. Dort werden sie mit den Protonen vereinigt und können nicht zur Anode der Röhrendiode gelangen. Daher sammeln sich die Elektronen wie eine Wolke um die Anode. Die Röhrendiode ist in Sperrichtung gepolt.

5 Diese veraltete Röhrendiode wird heute durch die Halbleiterdiode ersetzt: Das Prinzip von Sperr- und Durchlassrichtung je nach Polung wurde beibehalten, das Material jedoch ist ein anderes. Halbleiterdioden können zur Verkleinerung von Schaltungen beitragen. Sie brauchen viel weniger Strom, sind unempfindlicher und billiger. Die Halbleiterdiode: Hier wurde entweder positiv oder negativ verunreinigtes (dotiertes) Material verwendet. Was passiert, wenn p- und n-leitendes Material zusammengeschoben werden? Legt man nun p- und n- dotiertes Material nebeneinander, entsteht eine Grenzschicht.

6 n-leitend p-leitend Grenzschicht

7 Aufgrund der gegenseitigen Anziehung gehen Elektronen in die p-leitende Schicht, Löcher gelangen in die n-leitende Schicht. Es erfolgt ein Ladungsaustausch. Die beweglichen Ladungen haben sich also ausgeglichen. Kein Stromfluß ist mehr vorhanden. Ein selbst hergestellter Halbleiter aus Kupfersulfid und Bauxit: Versuchsaufbau:

8 Vom Bauelement zum Schaltzeichen
Cu 2 S Al O 3 Das Bauelement Diode (Aus Cu2S und Al2O3) p n Anode Kathode

9 Die Halbleiterdiode in Sperrichtung
Die Elektronen fließen vom n-leitenden zum p-leitenden Bereich. Der Pfeil des Schaltzeichens zeigt in die entgegengesetzte Richtung - also in die technische Stromrichtung. Die Halbleiterdiode in Sperrichtung p-Leiter n-Leiter __ +

10 Die Diode ist in Sperrichtung gepolt, denn die Elektronen wandern in Richtung Pluspol, die Löcher in Richtung Minuspol. So entsteht eine relativ breite ladungsarme Zone. Daher fließt kein Strom. Was geschieht nun, wenn die Diode umgepolt wird?

11 Nun liegt die Kathode am negativen, die Anode am positiven Pol der Spannungsquelle. Aufgrund der Abstoßung gleichnamiger Ladungen, werden die Elektronen bzw. die Löcher in die ladungsarme Zone gestoßen. Die negativen Ladungen werden von den _____________ angezogen (positive Ladung), gleichzeitig werden vom Minuspol immer wieder Elektronen nachgeliefert. Der Widerstand der Diode wird nun sehr klein. - Sie leitet. Die Diode ist in ________________ gepolt. Löchern Durchlassrichtung

12 Die Zone des Ladungsausgleiches wird _______________________ genannt:
Rekombinationszone p-Leiter n-Leiter R R - + R ... Rekombinationszone

13 ARTEN VON DIODEN UND DEREN SCHALTUNGEN Eine Schaltung, um mit anderen Schabernack zu treiben: Mit Hilfe einer Batterie und eines Glühlämpchens läßt man die Versuchsperson die Leitfähigkeit verschiedener Stoffe untersuchen. Dabei ist es wichtig, daß die Drähte mit einem Schlauch umgeben sind, in dem irgendwo eine Diode in Sperrichtung geschaltet ist. Die Anschlußdrähte erhalten 2 große Fahnen mit "+" und "-", entsprechend der Sperrichtung.

14 Es bleibt zu hoffen, daß die Versuchsperson, durch die Fähnchen verleitet, den Pluspol der Batterie mit dem "+" Fähnchen, bzw. den Minuspol der Batterie mit dem "-" Fähnchen verbindet. Das Lämpchen leuchtet nicht. Der Urheber der Schaltung vertauscht die Anschlüsse und hat Erfolg. Schaltung

15 Die Zenerdiode Die Photodiode Die Leuchtdiode Die Kapazitätsdiode
Im folgenden Abschnitt werden Arten von Dioden und deren Schaltungen behandelt. Hier nun ein kurzer Überblick über die behandelten Diodenarten: Die Zenerdiode Die Photodiode Die Leuchtdiode Die Kapazitätsdiode

16 Anwendungen der Zener-Diode:
Spannungsbegrenzung: Zum Beispiel als Schutzschaltung für ein Drehspulinstrument. Die Z-Diode wird in Sperrichtung betrieben.

17 Der Vorwiderstand hat die Aufgabe, Spannungswerte so zu begrenzen, daß die Zenerspannung nicht überschritten wird. Mit dieser Schaltung lassen sich die Eingänge von elektronischen Schaltungen und Geräten vor Spannungsspitzen oder Überspannungen schützen. Allgemeine Schaltung: Vorwiderstand I max. 1,6 A + Sicherung 2 A Z 15 Gerät _

18 Steigt die Spannung über 15 V, so bricht die Diode durch
Steigt die Spannung über 15 V, so bricht die Diode durch. Ihr Zenerstrom wird von keinem Vor-widerstand begrenzt, dadurch steigt er sehr stark an. Als Folge davon schmilzt die Sicherung durch. Hier wird vor allem die Tatsache ausgenützt, daß Z-Dioden für kurze Zeit stark überbelastet werden dürfen.

19 DIE LEUCHTDIODE Sie ist wahrscheinlich die bekannteste unter den Diodenarten. Die LED (Light Emitting Diode) wandelt im Gegensatz zur Fotodiode bzw. zu den Fotoelementen elektrische Energie in Lichtenergie um. Bei der Rekombination (vgl. vorne) entstehen bei der in Durchlassrichtung gepolten Diode Lichtblitze von etwa einer millionstel Sekunde! Um diese Lichtimpulse erzeugen zu können, werden spezielle HL-Verbindungen hergestellt.

20 HL-Material Farbe: Galliumphosphid GaP gelb Galliumphosphid GaP grün Galliumphosphid GaP rot Galliumnitrid GaN blau Galliumarsenid GaAs infrarot *) Galliumarsenidphosphid GaAsP rot Galliumarsenidphosphid GaAsP orange *) GaAs-LED strahlen im Infrarotbereich, daher ihr Name: IRED (Infrarot Emittierende Diode).

21 Andere Vorteile gegenüber Glühlampen sind leicht ersichtlich:
Die Leuchtdioden beginnen je nach Bauart zwischen 0,5 und 2 mA gut sichtbar zu leuchten. Damit wird schon ein Vorteil gegenüber Glühlampen offenkundig: sie brauchen weniger Strom. Andere Vorteile gegenüber Glühlampen sind leicht ersichtlich: - sie sind kleiner - sie sind stoßunempfindlich - sie reagieren sehr schnell. LED und IRED arbeiten fast trägheitslos. Eingespeiste (= angelegte) Gleich- oder Wechselstromimpulse werden genau im gleichen Rhythmus und in gleicher Stärke ausgesendet.

22 Kennzeichnung und Aufbau der LED: Auch hier ist, wie bei allen Dioden, die Kathode gekennzeichnet:

23 Der folgende Versuch kann als Querverbindung zur Chemie betrachtet werden:
Einige Perlen Natriumhydroxid (oder auch Schwefelsäure) werden mit 100 ml Wasser zu einer stark verdünnten Natronlauge angesetzt. In dieses Becherglas werden 2 Kohlestifte im Abstand von 2 cm eingebracht. Wird eine Gleichspannung von 6 V angelegt, so bildet sich an der einen Elektrode doppelt so viel Wasserstoffgas, wie an der anderen Sauerstoffgas. Parallel zum Elektrolysegerät kann der Anzeiger geschaltet werden, welcher angibt, an welcher Elektrode Wasserstoffgas entstanden ist. (Dann leuchtet zum Beispiel die gelbe Diode auf).

24 Zerlegung von Wasser und Anzeiger für Gase
+ - Wasser und NaOH Zerlegung von Wasser und Anzeiger für Gase

25 Anzeige von Ziffern, Zeichen, Schaltzuständen Eine besondere Form der Anzeige ist die 7-Segment-Anzeige, bestehend aus 7 zusammengeschalteten Dioden. Verwendung: bei Taschenrechnern, Radioweckern, usw. Aus diesen 7 Segmenten lassen sich alle Ziffern bzw. Buchstaben darstellen.

26 Aufbau und Anschlüsse der 7-Segment-Anzeige
a b f g e c d Mit Hilfe von Linsen wird das Licht balkenförmig abgebildet. Je nachdem welche der Balken (von a - g) durch Impulse angesteuert werden, leuchten diese auf. a b f + g c e d

27 Nun eine sehr praktische Schaltung, die mit dem bereits Vorhandenen leicht zu verstehen ist: Ein Batterieprüfgerät: Die Schaltung soll helfen, festzustellen, ob die Batterie ihrem Ende zugeht oder nicht. Tatsächlich verlöschen gute LED erst beim Absinken der Spannungswerte auf 3,5 V. Der Vorwiderstand RV wird zur Strombegrenzung eingebaut. Ist die Batterie neu, sollen nicht mehr als 10 mA fließen. Aus den obigen Angaben folgt:

28 + R = 50 Ohm 3,8 V / 0,07 A Z = 2,4 V LED = 1,6 V _

29 Die Gleichrichterwirkung einer Diode:
Bei den vorher genannten Versuchen wurde fast ausschließlich Gleichstrom verwendet. Die Diode war in Durchlassrichtung gepolt, wenn die Kathode am Minuspol, die Anode am Pluspol lag. Was passiert aber, wenn an Stelle des Gleichstromes Wechselstrom verwendet wird? Dieser ändert seine Polung ja 100 mal in der Sekunde.

30 Das Oszillogramm von Wechselstrom

31 Die positive Halbwelle wird jeweils durchgelassen
Die positive Halbwelle wird jeweils durchgelassen. Die Schüler könnten ein Oszillogramm aufzeichnen, nach dem Einbau einer Diode: Die negative Halbwelle fällt weg.

32 Gleichstrom. Es ergibt sich, daß nur mehr Strom aus der Diode herauskommt, der in eine Richtung fließt. Solch einen Strom nennt man ____________ Da dieser Strom aber nicht gleichmäßig fließt, sondern schwankt, also pulsiert, nennt man ihn pulsierenden Gleichstrom.

33 Eine Möglichkeit zur besseren Vorstellung der Gleichrichterwirkung ist, sich die Diode als Ventil zu denken, die den (Luft-) Strom nur in eine Richtung passieren läßt. Aber Vorsicht: Dies ist nur ein Modell, in Wirklichkeit sind aber keine Ventile in den Halbleiter eingebaut . Die Diode im Vergleich: als Schwingtür

34 Ein weiterer Vergleich betrachtet die Diode als Schwingtür, die nur in eine Richtung aufgeht. Kommt der Besucherstrom von der falschen Seite und drückt gegen die Tür, so wird diese verhindern, daß der Menschenstrom in seine gewünschte Richtung gelangt. Stimmt jedoch die Seite, können die Menschen durch die Tür passieren. Anmerkung: Es kann einen Menschenstrom in „Sperrichtung" geben, aber dazu müsste die Tür zerstört werden.

35 Die Diode leitet den Strom ab einer sehr hohen Spannung auch in Sperrichtung und wird dabei zerstört. (Ausgenommen sind eigens für den Betrieb in Sperrichtung gebaute Diodenarten - Zenerdioden). Strom

36 „Diode" in Sperrichtung (negative Halbwelle)
Strom

37 Transistor Präsentation öffnen

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