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Halbleiterdiode

Diode ist aus dem altgriechischen Wort „diodos“, übersetzt etwa Pass, Durchgang oder Weg, sowie dem weiblichen Substantiv „dia“ statt dos, abgeleitet. Der Begriff Halbleiter als vorangestellter Wortteil bezieht sich auf bestimmte Elemente, deren physikalische Fähigkeit darin besteht, abhängig von der Temperatur elektrisch leitfähig zu sein.

Was ist eine Halbleiterdiode?

Vereinfacht beschrieben ist eine Halbleiterdiode ein elektrisches oder elektronisches Bauteil, das wie ein Ventil für elektrischen Strom funktioniert. Allerdings ein Ventil mit weit höherer Funktionalität als etwa ein in ein Wasserrohr verbautes Drehventil. Mit der Hilfe von Halbleitern lassen sich zahlreiche Prozesse und Vorgänge in elektronischen Geräten realisieren, deren Umsetzung mittels mechanischer Bestandteile entweder überhaupt nicht möglich ist oder so Materialaufwendig und kompliziert, das sich die Realisierung nicht lohnt. Eine große Zahl elektronischer Bauteile sind überhaupt erst durch die Halbleiterdiode erfunden worden. Den größten Entwicklungsschritt machte jedoch der Computer dank der Halbleitertechnik, denn das heute jeder durch das Smartphone praktisch die gesamte vorhandene Informationsmenge der Welt mit sich herumtragen kann, ist den Halbleitern zu verdanken.

Aus welchen Materialien besteht eine Halbleiterdiode?

Den weitaus größten Anteil bei der Fertigung von Halbleiterdioden besitzt das Element Silicium (Si), im englischen übrigens „Silicon“, was einerseits den Begriff Silicon-Valley erklärt und andrerseits immer wieder zu Verwechselungen mit dem deutschen „Silikon“ führt. Silicium ist ein Kristall, während Silikon ein Polymer ist, ein Kunststoff. Die Verwandtschaft besteht nur darin, dass beim Silikon Siliciumatome mit Sauerstoffatomen verknüpft sind. Silicium ist nach Sauerstoff das häufigste Element in der Erdhülle, bezogen auf den Massenanteil.

Die erste Halbleiterdiode wurde jedoch auf Basis des Elements Germanium (Ge) gefertigt, das wie Galliumarsenid (GaAs) vergleichbare Eigenschaften wie Silicium besitzt. Darüber hinaus sind auch die Elemente Bor (B), Selen (Se) sowie Tellur (Te) Halbleiter.

Wie ist eine Halbleiterdiode aufgebaut?

Eine Halbleiterdiode besteht aus drei Schichten, die jedoch alle drei aus dem gleichen Material bestehen, meist Silicium. Eine Schicht wird n-Halbleiter, eine p-Halbleiter und eine, diese liegt dazwischen, wird pn-Übergang genannt. Damit überhaupt Schichten entstehen, werden diese „dotiert“, das bedeutet, das in sie Fremdatome eingebracht werden, zum Beispiel in der n-Halbleiterschicht sind es Phosphor-Atome, in der p-Halbleiterschicht sind es Aluminium-Atome. Die mittige Schicht, der p-n-Übergang, wird auch Raumladungszone, Verarmungszone oder Sperrschicht genannt. Hier treffen die Ladungsträger aus den p- und den n-Schichten aufeinander. Je nach Dotierung können unterschiedliche physikalische Effekte auftreten. Sehr häufig werden Halbleiterdioden als Wandler von Wechselstrom zu Gleichstrom eingesetzt. So eine Halbleiterdiode besitzt jedes Gerät oder dessen Netzteil, das mit 12 oder auch 4,5 Volt Gleichstrom betrieben wird, aber an einer 220-Volt-Wechselstromsteckdose zur Energieversorgung angeschlossen ist.

Quizfragen zum Thema

1. Wer entdeckte das Verhalten eines Halbleiters zuerst?

   Der Physiker und Elektrotechniker Karl Ferdinand Braun wurde im Jahr 1874 anhand von Experimenten mit Galenit auf das Halbleiter-Verhalten dieses Elements aufmerksam.

2. Nenne mindestens drei spezifische Formelzeichen von Halbleiterdioden

   Beispiele:
   D_U, U_S, U_R, I_D, I_S, U_T, R_B, C_D, C_S

3. Was ist die Diodenkapazität?

   Unter Diodenkapazität ist die Größe der internen Aufladung bei der Bereitstellung der Sperrvorspannung zu verstehen. Dies geschieht durch das Füllen der intrinsischen Schicht zwischen n- und p-Schicht mit Ladungsträgern.

4. Was ist der Diffusionsstrom bei Halbleitern?

   Bei einem Diffusionsstrom handelt es sich um einen elektrischen Strom, der auch ohne ein Kraftfeld, nur durch die Wärmebewegung, freie Ladungsträger in den p-n-Übergängen von Halbleitern zum Ausgleich von Konzentrationsunterschieden einbringt.

5. Nenne die drei wichtigsten Kenngrößen von Halbleiterdioden

   Sperrspannung
   Dauer- und Spitzenstrom
   Flussspannung oder Schleusenspannung

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