Diode

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Dioden sind passive elektronische Bauelemente, die elektrischen Strom in einer Richtung durchlassen und in der entgegengesetzten Richtung blockieren.

Eine typische Diode besteht aus zwei Halbleitermaterialien: einem p-Halbleiter und einem n-Halbleiter. Der p-Halbleiter enthält „Löcher“ (fehlende Elektronen), die als positive Ladungsträger wirken, während der n-Halbleiter überschüssige Elektronen als negative Ladungsträger enthält. An der Übergangszone dieser Materialien, dem p-n-Übergang, rekombinieren Elektronen und Löcher. Dies erzeugt ein elektrisches Feld, das den Stromfluss beeinflusst. 

Wenn eine positive Spannung an den p-Anschluss (Anode) und eine negative Spannung an den n-Anschluss (Kathode) angelegt wird, beginnt die Diode zu leiten. Siliziumdioden benötigen dafür typischerweise eine Vorwärtsspannung von etwa 0,7 Volt, während Germaniumdioden etwa 0,3 Volt benötigen. Umgekehrt blockiert die Diode den Stromfluss, wenn die Spannung umgepolt wird, es sei denn, die Sperrspannung wird überschritten, was zu einem unerwünschten Durchbruch führen kann.

Zu den gängigsten Halbleitermaterialien für Dioden zählen Silizium (Si), Germanium (Ge) und Galliumarsenid (GaAs). Diese Materialien besitzen eine spezifische Bandstruktur, in der das Valenzband Elektronen enthält, die sich an Atome binden und somit die chemischen Eigenschaften des Materials bestimmen. Im höhergelegenen Leitungsband können sich Elektronen frei bewegen, was die elektrische Stromleitung ermöglicht.

Die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband zu bewegen, wird als Bandlücke bezeichnet. Diese Bandlücke ist für verschiedene Materialien unterschiedlich und kann in der Regel einige Elektronenvolt (eV) betragen; für Halbleiter ist sie klein, während sie für Isolatoren größer und für Leiter oft vernachlässigbar ist, da hier kein ausreichend großer Unterschied zwischen Valenz- und Leitungsband besteht.

Für allgemeine Anwendungen wird am häufigsten die Siliziumdiode verwendet. Zener-Dioden dienen der Spannungsstabilisierung und arbeiten im Sperrmodus. Schottky-Dioden zeichnen sich durch eine niedrige Vorwärtsspannung und schnelle Schaltzeiten aus, was sie ideal für Hochfrequenzanwendungen macht. Fotodioden wandeln Licht in elektrischen Strom um und finden häufig in optischen Anwendungen Verwendung. Varistoren schützen vor Spannungsspitzen, indem sie ihren Widerstand bei unterschiedlichen Spannungen verändern. LEDs (lichtemittierende Dioden) emittieren Licht, wenn Strom in Vorwärtsrichtung fließt.