NDR

Negative Differentialwiderstand tritt in bestimmten elektrischen Bauelementen auf, wenn eine Erhöhung der angelegten Spannung dazu führt, dass der hindurchfließende Strom tatsächlich sinkt, anstatt wie bei gewöhnlichen Leitern nach dem Ohmschen Gesetz anzusteigen. Dieses kontraintuitive Verhalten zeigt sich in der Strom-Spannungs-Kennlinie als Bereich mit negativer Neigung, was bedeutet, dass sich das Bauelement stärker widersetzt, je mehr man elektrisch druck ausübt.

Tunneldioden und Esaki-Dioden sind die klassischen Beispiele aus der Halbleiterphysik. Sie nutzen Quantentunneleffekte in stark dotierten p-n-Übergängen, um diesen Effekt zu erzeugen. Resonant-Tunneling-Dioden (RTDs) erweitern das Prinzip mit Heterostruktur-Barrieren und können ausgeprägte NDR-Bereiche zeigen. Gunn-Dioden in Mikrowellenoszillatoren weisen ebenfalls NDR auf, allerdings durch einen anderen Mechanismus mit Elektronenverlagerungseffekten in Galliumarsenid. Jeder Bauelementtyp hat seinen eigenen Spannungsbereich, in dem der Effekt dominant ist.

Der praktische Nutzen von NDR liegt in Schwingung und Schaltung. Da sich das Bauelement von Natur aus vom NDR-Bereich entfernen will, wenn es gestört wird, neigen Schaltungen um es herum zu spontaner Schwingung bei Frequenzen, die durch die Lastlinie und die Schaltungsinduktivität bestimmt werden. Tunneldioden werden seit Jahrzehnten in Oszillatoren verwendet, die von niedriger Frequenz bis zu Mikrowellenbändern arbeiten. Die Geschwindigkeit wird hauptsächlich durch die Sperrschichtkapazität und den Widerstand begrenzt, nicht durch die Laufzeit von Ladungsträgern, weshalb sie wertvoll sind, wenn die Halbleiterschaltgeschwindigkeit zählt.

Wo NDR Probleme erzeugt

In der Leistungselektronik und bei netzgestützten Anwendungen können NDR-ähnliche Verhaltensweisen unbeabsichtigt in bestimmten Betriebsbereichen auftreten und Instabilität verursachen. Wechselrichter und Stromrichter können Bereiche in ihren Regelkennlinien aufweisen, die NDR ähneln, was zu subsynchroner Resonanz oder Spannungskollaps führt, wenn die Netzimpedanz schlecht mit den Regelschleifen wechselwirkt. Ingenieure, die große Systeme mit erneuerbaren Energien entwerfen, müssen diese Wechselwirkungen in ihren Stabilitätsstudien überprüfen.

Der Name "negativer Differentialwiderstand" beschreibt direkt die Mathematik: wenn man den Differentialwiderstand als dV/dI berechnet (die Neigung der Strom-Spannungs-Kurve), erhält man in dem problematischen Bereich eine negative Zahl. Dies unterscheidet ihn deutlich vom statischen Widerstand, der V/I ist und immer positiv. Der Begriff ist seit den 1950er Jahren Standard, weil er das physikalische Phänomen präzise erfasst, ohne Bauelementphysik oder Anwendungen heranzuziehen.