Diode: Funktion und Kennlinie

Eine Diode ist ein Halbleiterbauelement mit zwei Anschlüssen, das den Strom nur in einer Richtung durchlässt. Man kann sie sich wie ein elektrisches Rückschlagventil vorstellen: in eine Richtung fließt der Strom, in die andere wird er blockiert.

Im Kern besteht jede Diode aus einem pn-Übergang – einer Grenzschicht zwischen einer p- und einer n-dotierten Halbleiterzone. Was an dieser Grenze im Detail abläuft, wird im eigenen Beitrag zu Dotierung und pn-Übergang behandelt. Für die Diode reicht zu wissen: An dieser Grenzschicht entsteht eine sogenannte Sperrschicht, die je nach Polung der angelegten Spannung den Stromfluss zulässt oder unterbindet.

Eine Diode hat zwei Anschlüsse:

• Anode (A): der Anschluss, der in Durchlassrichtung mit dem Pluspol verbunden ist
• Kathode (K): der Anschluss, der in Durchlassrichtung mit dem Minuspol verbunden ist

Im Schaltplan wird die Diode mit einem Dreieck (Pfeil) und einem Querstrich gezeichnet. Das Dreieck zeigt in die Durchlassrichtung des Stroms – also von der Anode zur Kathode.

Am realen Bauteil ist die Kathode mit einem Ring oder Strich auf dem Gehäuse markiert. Bei axialen Bauformen mit Glas- oder Kunststoffgehäuse ist dieser Ring meist gut sichtbar. Beim Einlöten oder Tauschen einer Diode muss diese Markierung mit dem Schaltsymbol übereinstimmen – falsch herum eingebaut funktioniert die Schaltung nicht oder die Diode wird zerstört.

In der Theorie wird oft eine ideale Diode angenommen: Sie leitet in Durchlassrichtung ohne Spannungsabfall und sperrt in Sperrrichtung vollständig. Die reale Diode weicht davon ab: Sie braucht eine Mindestspannung, bevor sie merklich leitet, und auch in Sperrrichtung fließt ein kleiner Reststrom. Für viele Überlegungen reicht das Idealmodell – sobald es um Verluste und Wärme geht, muss man real rechnen.

Eine Diode verhält sich grundlegend unterschiedlich, je nachdem wie die Spannung an ihren Anschlüssen anliegt.

Durchlassrichtung: Liegt der Pluspol an der Anode und der Minuspol an der Kathode, baut sich die Sperrschicht am pn-Übergang ab. Sobald die Spannung die Schwellspannung überschreitet (bei Silizium-Dioden etwa 0,7 V), fließt Strom durch die Diode.

Sperrrichtung: Wird die Polung umgedreht – Pluspol an der Kathode, Minuspol an der Anode – verbreitert sich die Sperrschicht. Die Diode blockiert den Stromfluss nahezu vollständig. Nur ein winziger Sperrstrom im Nano- bis Mikroampere-Bereich fließt noch.

Wichtig: „Durchlass“ heißt nicht, dass die Diode den Strom widerstandslos durchlässt. Es bleibt immer ein Spannungsabfall über der Diode – die Schwellspannung. Bei einer Silizium-Diode sind das etwa 0,7 V, bei einer Schottky-Diode nur etwa 0,3 V. Dieser Spannungsabfall geht in der Schaltung als Wärme verloren.

Daraus erklärt sich auch das Verhalten beim Anschluss an Wechselspannung: Während der positiven Halbwelle leitet die Diode, während der negativen sperrt sie. Aus dem Wechselstrom wird so ein pulsierender Gleichstrom – das ist die Grundlage jeder Gleichrichtung. Die konkreten Gleichrichterschaltungen werden im eigenen Beitrag dazu behandelt.

Die Diodenkennlinie zeigt grafisch, wie sich Strom und Spannung an der Diode zueinander verhalten. Auf der waagrechten Achse wird die Spannung U über der Diode aufgetragen, auf der senkrechten der Strom I durch die Diode. Die Kennlinie verläuft durch drei Bereiche.

Durchlassbereich (rechts oben, positive U und positive I): Solange die Spannung unter der Schwellspannung bleibt, fließt fast kein Strom. Ab der Schwellspannung steigt der Strom sehr steil an – kleine Spannungserhöhungen führen zu großen Stromzuwächsen. Bei Silizium etwa ab 0,7 V, bei Germanium und Schottky-Dioden ab etwa 0,3 V.

Sperrbereich (links der senkrechten Achse, negative U und sehr kleine I): In Sperrrichtung fließt nur ein winziger Sperrstrom, der über einen großen Spannungsbereich nahezu konstant bleibt. Die Diode verhält sich praktisch wie ein offener Schalter.

Durchbruchbereich (ganz links, sehr negative U): Wird die Sperrspannung über einen bestimmten Wert hinaus erhöht – die Durchbruchspannung U_BR – „bricht“ die Sperrschicht durch und der Strom steigt schlagartig an. Bei einer normalen Diode bedeutet das die Zerstörung. Bei der Z-Diode wird genau dieser Bereich gezielt genutzt – Details dazu im eigenen Beitrag.

Was an der Kennlinie auffällt: Eine Diode ist kein linearer Widerstand. Bei einem ohmschen Widerstand wäre die Kennlinie eine Gerade durch den Ursprung – die Diode hat aber eine geknickte, gekrümmte Kurve. Das Ohmsche Gesetz U = R · I lässt sich nicht direkt auf die ganze Diode anwenden, weil das Verhältnis von Spannung zu Strom nicht konstant ist.

Will man der Diode trotzdem einen Widerstand zuordnen, geht das nur an einem festgelegten Punkt der Kennlinie – dem Arbeitspunkt. Dort berechnet sich der statische Widerstand zu:

Beispiel: Bei einer Si-Diode mit U = 0,7 V und I = 100 mA ergibt sich R = 0,7 / 0,1 = 7 Ω. An einem anderen Arbeitspunkt – etwa bei U = 0,75 V und I = 500 mA – ist der statische Widerstand schon nur noch 1,5 Ω. Daran zeigt sich: Die Diode wird mit steigendem Strom „leitfähiger“. Der Widerstandswert gilt also immer nur für diesen einen Punkt.

Im Datenblatt einer Diode findet man eine Reihe von Kenngrößen, die für die Auswahl entscheidend sind. Die vier wichtigsten:

Durchlassspannung U_F: Spannung, die in Durchlassrichtung über der Diode abfällt. Sie ist nicht konstant, sondern hängt vom Strom ab. Im Datenblatt wird typischerweise ein Wert bei einem bestimmten Strom angegeben (z. B. „U_F = 1,0 V bei I_F = 1 A“). Bei anderen Strömen verschiebt sich U_F entsprechend der Kennlinie.

Maximaler Durchlassstrom I_F max: Der größte Strom, den die Diode dauerhaft in Durchlassrichtung verkraftet. Wird er überschritten, droht thermische Zerstörung.

Maximale Sperrspannung U_R max: Die höchste Spannung, die in Sperrrichtung an der Diode anliegen darf, ohne dass der Durchbruch eintritt. Wird sie überschritten, geht die Diode in der Regel kaputt.

Verlustleistung P_V: Die Wärmeleistung, die in der Diode im Durchlassbetrieb entsteht. Sie berechnet sich aus dem Spannungsabfall und dem Strom:

Wenn die berechnete Verlustleistung die im Datenblatt angegebene maximale Verlustleistung P_max überschreitet, muss eine stärker dimensionierte Diode gewählt oder ein Kühlkörper vorgesehen werden.

Es gibt zahlreiche Diodentypen für unterschiedliche Einsatzbereiche. Drei Grundtypen prägen die Standardanwendungen:

Silizium-Diode (Si-Diode): Der Standard. Schwellspannung etwa 0,7 V, hoher Sperrwiderstand, gute Belastbarkeit, kostengünstig. Wird in Netzteilen, Steuerungen und allgemein als universeller Gleichrichter eingesetzt. Klassische Vertreter sind die 1N400x-Serie (bis 1 A) und die 1N540x-Serie (bis 3 A).

Germanium-Diode (Ge-Diode): Schwellspannung nur etwa 0,3 V – damit gut für Signale mit kleinen Amplituden geeignet. Heute kaum noch im Einsatz, weil sie temperaturempfindlich ist und einen vergleichsweise hohen Sperrstrom hat. In alten Geräten taucht sie noch auf.

Schottky-Diode: Kein klassischer pn-Übergang, sondern ein Metall-Halbleiter-Übergang. Vorteile: geringe Schwellspannung (ca. 0,3 V), sehr schnelle Schaltzeit. Nachteile: höherer Sperrstrom als die Si-Diode, geringere maximale Sperrspannung. Wird in getakteten Netzteilen und in der Hochfrequenztechnik eingesetzt.

Daneben gibt es Sonderformen mit eigenen Anwendungsgebieten:

• Z-Dioden werden gezielt im Durchbruchbereich betrieben, um Spannungen zu stabilisieren – Details im eigenen Beitrag
• Leuchtdioden (LED) wandeln Strom direkt in Licht um – Details im eigenen Beitrag

In der Praxis kommt die Diode am häufigsten in drei Funktionen vor: als Gleichrichter, als Freilaufdiode und als Verpolungsschutz.

Gleichrichtung: Wechselspannung wird in pulsierende Gleichspannung umgewandelt. Eine einzelne Diode lässt nur die positive Halbwelle durch (Einweggleichrichtung), in der Brückenschaltung werden alle Halbwellen genutzt. Die konkreten Schaltungen werden im Beitrag zu Gleichrichterschaltungen behandelt.

Freilaufdiode: Wird parallel zu Spulen, Relais- und Schützspulen sowie Magnetventilen geschaltet. Sobald durch eine Spule Strom fließt, baut sich in ihr ein Magnetfeld auf, das Energie speichert. Wird der Strom abrupt unterbrochen – etwa beim Öffnen eines Schalters – induziert die Spule eine Spannung mit umgekehrter Polarität, die das Vielfache der Betriebsspannung erreichen kann. Diese Induktionsspannung kann Halbleiter, Transistoren und Schaltkontakte zerstören.

Die Freilaufdiode wird so eingebaut, dass sie im Normalbetrieb sperrt: Anode am Minuspol, Kathode am Pluspol der Spule. Im Abschaltmoment polt sich die Spannung an der Spule um, die Diode kommt in Durchlassrichtung und schließt den Stromkreis kurz, sodass der Spulenstrom sanft über die Diode auslauf. Die Induktionsspannung wird so auf etwa die Schwellspannung der Diode begrenzt.

Verpolungsschutz: Eine Diode in Reihe zur Versorgungsleitung lässt nur Strom in der richtigen Polung durch. Wird die Versorgung versehentlich falsch herum angeschlossen, sperrt die Diode und schützt die nachgeschalteten Bauteile. Nachteil: Im Normalbetrieb fällt die Schwellspannung über der Diode ab – das kostet Energie und erzeugt Wärme. In der 24-V-DC-Automatisierungspraxis wird deshalb häufig eine Schottky-Diode mit nur etwa 0,3 V Spannungsabfall verwendet oder gleich ein elektronischer Verpolungsschutz mit P-Kanal-MOSFET, der praktisch verlustfrei arbeitet – das verhindert, dass empfindliche SPS-Baugruppen am Eingang unter ihre Mindestversorgungsspannung rutschen.

Für die Auslegung eines Vorwiderstands vor einer Diode (z. B. für eine Anzeige) gilt: