11.2 : Diode: Vorwärtsvorspannung

In Halbleiterbauelementen spielen Dioden eine entscheidende Rolle bei der Steuerung des Stromflusses, und ihr Betrieb wird hauptsächlich in Vorwärtsvorspannung und Rückwärtsvorspannung unterteilt. Eine Diode gilt als vorwärts vorgespannt, wenn ihr p-Typ-Bereich mit dem Pluspol einer Batterie verbunden ist und ihr n-Typ-Bereich mit dem Minuspol verbunden ist. Diese Konfiguration reduziert die Potentialbarriere innerhalb der Diode, sodass Strom problemlos vom p- zum n-Typ-Bereich fließen kann.

Das Verhalten einer Diode bei Vorwärtsvorspannung wird durch ihre I-V-Eigenschaften bestimmt, die wiederum vom Material, der Temperatur und den physikalischen Abmessungen der Diode beeinflusst werden. Bei Vorwärtsvorspannung kann der Strom (I-D) einer Diode durch die Diodengleichung beschrieben werden:

wobei I_S der Sättigungsstrom, q die Elektronenladung, V_D die angelegte Spannung über der Diode, n der Emissionskoeffizient, k die Boltzmann-Konstante und T die Sperrschichttemperatur ist. Die thermische Spannung V_T (kT/q) misst die Energie, die erforderlich ist, um Ladungsträger über die Diode zu bewegen, und ihr Wert bei Raumtemperatur beträgt etwa 26 mV.

Die Diode zeigt einen vernachlässigbaren Strom für Spannungen unterhalb der Einschaltspannung, typischerweise 0,7 V für Siliziumdioden. Bei Vorwärtsvorspannung ändert sich die Diodenspannung bei jeder Änderung des Vorwärtsstroms um eine Dekade um etwa 60 mV. Der Sättigungsstrom (I_S) variiert mit der Temperatur und dem Querschnittsbereich der Diode und verdoppelt sich bei jeder Erhöhung um 10 °C. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit von I_S und V_T verringert sich der Spannungsabfall einer Diode bei konstantem Strom bei jeder Temperaturerhöhung um 1 °C um etwa 2 mV, eine Eigenschaft, die in Temperatursensorschaltungen wie elektronischen Thermometern genutzt wird. Das Verständnis dieser Eigenschaften ist für Elektronik von entscheidender Bedeutung, bei der Dioden zentrale Komponenten sind, wie Gleichrichter, Signalmischer und Spannungsregler.