Diode

Eine Diode ist ein Halbleiterbauelement mit zwei Anschlüssen, das elektrischen Strom in eine Richtung (Durchlassrichtung) leicht leitet und in der anderen Richtung (Sperrrichtung) sperrt. Der leitende Anschluss heißt Anode, der sperrende Anschluss Kathode. Im Inneren besteht eine Diode aus einem p-leitenden Halbleiter (mit Überschuss an positiven Ladungsträgern), der mit einem n-leitenden Halbleiter (mit Überschuss an negativen Ladungsträgern) verbunden ist. Bei Durchlasspolung ermöglicht diese Sperrschicht Stromfluss; bei Sperrpolung nicht. Der typische Spannungsfall über eine Siliziumdiode liegt im Durchlassbetrieb bei 0,6 bis 0,7 Volt bei Nennstrom.

In Stromversorgungssystemen und industriellen Gleichrichtern wandeln Dioden Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) um. Eine einzelne Diode leitet nur eine Halbwelle einer AC-Wellenform; vier Dioden in Brückenschaltung leiten beide Halbwellen und erzeugen glatterere DC-Ausgänge mit weniger Welligkeit. Große Leistungsdioden werden in Reihe geschaltet, um hohe Sperrspannungen zu bewältigen, oder parallel, um hohe Durchlassströme zu teilen. Siliziumdioden dominieren, weil sie höhere Temperaturen und Spannungen als ältere Germaniumtypen vertragen und einen niedrigeren Leckstrom in Sperrrichtung aufweisen.

Echte Ausfallmodi und Grenzen

Überschreitung der maximalen Sperrspannung (PIV, Peak Inverse Voltage) führt die Diode in den Lawinendurchbruch. Unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts ist dies reversibel, aber anhaltende Überspannung zerstört die Sperrschicht dauerhaft. Stromüberbelastung in Durchlassrichtung erzeugt Wärme; eine Diode mit Nennstrom von 10 Ampere fällt bei 50 Ampere schnell aus, weil die p-n-Sperrschichttemperatur über ihre thermische Grenze steigt, typischerweise etwa 150 bis 200 Grad Celsius für industrielle Typen. Thermisches Durchgehen tritt auf, weil der Widerstand mit steigender Temperatur sinkt, mehr Strom zieht und mehr Wärme erzeugt. Der Leckstrom in Sperrrichtung nimmt auch exponentiell mit der Temperatur zu und beeinträchtigt die Effizienz in Präzisionsanwendungen.

Der Begriff Diode stammt aus dem Griechischen di- (zwei) und -ode (Weg oder Elektrode) und spiegelt die zwei Anschlüsse wider. Frühe Vakuumröhrendioden funktionierten durch thermionische Emission und wurden zur Gleichrichtung verwendet, bevor Halbleiterbauelemente existierten. Die Halbleiterdiode wurde in den 1950er Jahren praktikabel und ist seitdem zur Grundlage der Leistungselektronik geworden. Sie findet sich in nahezu jedem industriellen Netzteil, Wechselrichter und Antriebsregler. Spezialisierte Varianten sind Schottky-Dioden (niedrigerer Spannungsfall, schnelleres Schalten), Zener-Dioden (ausgelegt zum Leiten in Sperrrichtung bei fester Spannung zur Spannungsregelung) und schnelle Rekuperationsdioden (für Hochfrequenz-Schaltanwendungen über 1 kHz).

In der Versorgungswirtschaft und Industrie werden Dioden anhand von drei Hauptkenndaten ausgewählt: Durchlassstromfähigkeit (typisch 1 bis mehrere hundert Ampere), maximale Sperrspannung (50 Volt bis mehrere Kilovolt) und Schaltgeschwindigkeit (gemessen als Erholungszeit, von Nanosekunden bis Mikrosekunden). Ein Gleichrichterblock in einem großen industriellen Netzteil kann Dutzende von Hochstromdioden enthalten, von denen jede Dutzende Watt dissipiert und Wärmeleitung benötigt. Der Ausfall auch nur einer Diode in einer Reihenschaltung kann die Ausgabe beeinträchtigen oder fehlerhafte Auslösungen verursachen; Qualitätssysteme prüfen Diodenblöcke auf Leckstrom vor dem Einsatz.