Eine Diode lässt Strom vor allem in einer Richtung fließen. Verstehe, wie die Sperrschicht entsteht, was eine angelegte Spannung verändert und wie du eine einfache Diodenschaltung berechnest.
Drei kurze Aufgaben helfen dir, deinen Startpunkt zu finden. Wenn du unsicher bist, wähle „Weiß ich noch nicht“.
Löse die Aufgaben ohne Nachschlagen. Bei Zahlen sind Dezimalkomma und Dezimalpunkt möglich. Verwende keine Tausenderpunkte.
Lernschritt 1
In n-dotiertem Material gibt es besonders viele bewegliche Elektronen; in p-dotiertem Material besonders viele Löcher. Ein Loch ist eine unbesetzte Stelle im sonst besetzten Bindungszustand. Wenn benachbarte Elektronen nachrücken, verhält sich das Loch wie ein beweglicher positiver Ladungsträger.
Beide Materialien sind fern vom Übergang insgesamt annähernd elektrisch neutral: Bewegliche Ladungsträger und ortsfeste Ladungen gleichen sich aus. p und n beschreiben also die Mehrheitsladungsträger, nicht die Gesamtladung eines Halbleiterstücks. Als Vorbereitung hilft Halbleiter und Dotierung.
Lernschritt 2
Am Übergang gibt es zunächst auf beiden Seiten unterschiedlich viele Elektronen und Löcher. Durch ihre ungeordnete Bewegung gelangen Elektronen bevorzugt aus dem n-Bereich in den p-Bereich; Löcher bewegen sich entsprechend in die Gegenrichtung. Dieser durch Konzentrationsunterschiede verursachte Transport heißt Diffusion.
Nahe der Grenze können Elektronen freie Zustände besetzen: Ein Elektron und ein Loch verschwinden als bewegliches Paar. Zurück bleiben ortsfeste ionisierte Dotieratome. Auf der p-Seite sind das negative Akzeptorionen, auf der n-Seite positive Donatorionen. Sie wandern nicht durch den Kristall.
Die räumlich getrennten Ionen bilden eine Raumladungszone. Ihr Feld zeigt von den positiven Ionen auf der n-Seite zu den negativen Ionen auf der p-Seite. Es wirkt auf Elektronen und Löcher so, dass es der weiteren Mehrheitsladungsträger-Diffusion entgegenwirkt.
Im thermischen Gleichgewicht ohne äußere Spannung gleichen sich Diffusions- und Driftstrom aus: Der Gesamtstrom ist null. Die Sperrschicht ist nicht ladungsfrei und nicht vollkommen leer; sie ist an beweglichen Mehrheitsladungsträgern verarmt. Die feste Raumladung erzeugt gerade die innere Potentialbarriere.
Die graue Zone ist kein leerer Spalt. Dort gibt es weniger bewegliche Mehrheitsträger, aber weiterhin Kristallmaterial und ortsfeste geladene Ionen. Ihr Feld zeigt von der n-Seite zur p-Seite.
Ohne äußere Spannung gleichen sich Drift- und Diffusionsstrom aus. Ladungszahlen und Breiten sind schematisch.
Lernschritt 3
Die äußere Spannung wirkt der inneren Potentialbarriere entgegen. Die Barriere sinkt, die Verarmungszone wird schmaler und mehr Ladungsträger können den Übergang überwinden. Mit zunehmender Durchlassspannung steigt der Strom stark und nichtlinear. Ein Vorwiderstand oder eine andere Strombegrenzung ist deshalb nötig.
Die äußere Spannung verstärkt die Barriere. Mehrheitsladungsträger werden vom Übergang weggezogen, die Raumladungszone wird breiter. Es bleibt ein kleiner Sperrstrom, unter anderem durch Minderheitsladungsträger. Bei hinreichend großer Sperrspannung kann ein Durchbruch auftreten; die Diode sperrt also nicht bei beliebig hoher Spannung.
Die folgenden Bilder sind ein qualitatives Modell: Schichtbreiten und Ladungszahlen sind nicht maßstäblich. Reale Werte hängen unter anderem von Dotierung, Temperatur und angelegter Spannung ab.
Lernschritt 4
Schiebe den Regler zwischen drei Zuständen. Die graue Zone zeigt, wie sich die Breite der Raumladungszone qualitativ ändert. Die Minus- und Pluszeichen in ihr stehen für ortsfeste Ionen; die Kreise außerhalb für bewegliche Mehrheitsladungsträger.
Beginne ohne Spannung und erkläre, warum trotz Gesamtstrom null eine Raumladungszone vorhanden ist. Stelle dann Durchlassrichtung ein: Die Zone wird schmaler, verschwindet im Schema aber nicht einfach. Beim Umpolen wird sie breiter. Frage jeweils: Welche Seite liegt an Plus, und was geschieht mit der Potentialbarriere?
Lernschritt 5
Eine Kennlinie zeigt den Strom I in Abhängigkeit von der Diodenspannung UD. Die Spannung wird von Anode zu Kathode gezählt, positiver konventioneller Strom fließt in Durchlassrichtung von Anode zu Kathode. Der Elektronentransport ist zur konventionellen Stromrichtung entgegengesetzt.
Eine reale Siliziumdiode schaltet nicht exakt bei 0,7 V ein. Der Strom wächst über einen Spannungsbereich stark an; der genaue Spannungsabfall hängt von Strom, Temperatur und Bauteil ab. Für einfache Schulaufgaben ersetzt man diesen Verlauf oft durch ein Konstantspannungsmodell: leitend UD ≈ 0,7 V, sperrend I ≈ 0.
UQuelle = UR + UD; I = UQuelle − UDR
Die Stromformel gilt für eine leitende Diode in Reihe mit R und der passend gepolten Gleichspannungsquelle. Ergibt sie einen negativen Strom, ist die Annahme „Diode leitet“ in diesem Modell falsch. Rechne dann nicht mit einem negativen Durchlassstrom weiter, sondern prüfe den Schaltzustand.
Anode zur positiven Seite und Kathode zur negativen: Durchlassrichtung. Der Strich im Symbol kennzeichnet die Kathode.
Für die leitende Beispiel-Siliziumdiode gilt UD ≈ 0,7 V. In Sperrrichtung setzen wir I ≈ 0, solange kein Durchbruch auftritt.
Bei Leitung: UR = UQuelle − UD. Nur diese Spannung gehört ins ohmsche Gesetz für R.
Rechne mit Ohm und Ampere. In der Reihenschaltung fließt durch beide Bauteile derselbe Strom.
Lernschritt 6
Beispiel · Schritt für Schritt
Eine Siliziumdiode liegt mit einem Widerstand an 5,0 V. Die Anode zeigt zur positiven Quellenseite. Wie groß ist I?
UQuelle = 5,0 V · R = 1,0 kΩ · Modell: UD = 0,7 V
| Rechnung | Erklärung zum Schritt |
|---|---|
| Durchlassrichtung 5,0 V > 0,7 V |
1Zustand prüfen
Die Polung und die Quellenspannung passen zur Annahme einer leitenden Diode. |
| UR = 5,0 V − 0,7 V = 4,3 V |
2Diodenspannung abziehen
Die Quellenspannung verteilt sich auf Diode und Widerstand. |
| R = 1,0 kΩ = 1000 Ω I = 4,3 V1000 Ω = 0,0043 A |
3Ohmsches Gesetz anwenden
Verwende die Spannung am Widerstand, nicht die volle Quellenspannung. |
| I = 4,3 mA |
4Einheit umrechnen
1 A = 1000 mA. Der Reihenstrom ist auch der Diodenstrom. |
Beispiel · Schritt für Schritt
Was ändert sich, wenn die Kathode zur positiven Quellenseite zeigt?
UQuelle = 5,0 V · R = 1000 Ω · zulässige Sperrspannung ausreichend
| Rechnung | Erklärung zum Schritt |
|---|---|
| Sperrrichtung → I ≈ 0 |
1Neuen Zustand erkennen
Die Durchlassformel mit 0,7 V darf jetzt nicht weiterverwendet werden. |
| UR = R · I ≈ 0 V |
2Widerstandsspannung berechnen
Ohne nennenswerten Strom fällt am Widerstand nahezu keine Spannung ab. |
| UD ≈ −5,0 V |
3Diodenspannung deuten
UD wird von Anode zu Kathode gezählt. Die Kathode liegt hier höher: Die Diode trägt fast die gesamte Spannung in Sperrrichtung. |
Beispiel · Schritt für Schritt
Wohin geht die elektrische Leistung im leitenden Fall?
I = 4,3 mA · UR = 4,3 V · UD = 0,7 V
| Rechnung | Erklärung zum Schritt |
|---|---|
| PR = 4,3 V · 4,3 mA = 18,49 mW |
1Widerstandsleistung bestimmen
Spannung mal Strom ergibt Leistung. V · mA ergibt mW. |
| PD = 0,7 V · 4,3 mA = 3,01 mW |
2Diodenleistung bestimmen
Auch an der leitenden Diode wird Energie umgesetzt. |
| Pgesamt = 21,50 mW 5,0 V · 4,3 mA = 21,50 mW |
3Mit der Quelle vergleichen
Die Summe stimmt mit der von der Quelle abgegebenen Leistung überein. |
Lernschritt 7
Liegt eine Diode in Reihe mit einem Widerstand an einer Wechselspannungsquelle, lässt sie im einfachen Modell nur die passend gepolte Halbwelle durch. Der Laststrom wechselt dann nicht mehr die Richtung, wird aber regelmäßig null. Das ist pulsierender Gleichstrom, noch kein gleichmäßig konstanter Strom.
Ein Glättungskondensator kann die Spannung zwischen den Leitphasen stützen; eine Brückenschaltung kann beide Halbwellen nutzen. Dafür braucht man weitere Bauteile. Eine einzelne Diode allein macht aus einer Sinusspannung keine vollkommen glatte Gleichspannung.
Der Strich im Diodenschaltzeichen kennzeichnet die Kathode. Bei vielen axialen Dioden markiert ein Ring am Gehäuse dieselbe Seite. Die Bauform oder das konkrete Datenblatt muss zur Zuordnung passen.
Strich und Gehäusering kennzeichnen dieselbe Seite. Der Ring vieler axialer Dioden liegt an der Kathode. In Durchlassrichtung fließt der technische Strom von der Anode zur Kathode.
Stilisierte Bauform, kein Foto und keine universelle Anschlussnorm für alle Gehäuse. Im Zweifel gilt das Datenblatt.
Lernschritt 8
p-Material insgesamt positiv nennen: Fern vom Übergang ist es annähernd neutral.
Sperrschicht als leeren Spalt zeichnen: Dort bleibt Kristallmaterial mit ortsfester Raumladung.
0,7 V als exakte Naturkonstante ansehen: Es ist ein vereinfachter Modellwert für bestimmte Siliziumdioden.
Die vollen 5 V durch R teilen: Bei leitender Diode muss ihr Spannungsabfall abgezogen werden.
Gleichgerichtet mit geglättet verwechseln: Eine Halbwellenfolge hat noch starke Schwankungen.
Selbst ausprobieren
Mit Tipps lernen oder ohne Hilfe testen – du entscheidest.
Wähle deine Stufe. Du löst jeweils sechs Aufgaben mit direkter Rückmeldung, Tipps und Rechenwegen.
Optional: Dein Fortschritt wird nur in diesem Browser gespeichert.
Bearbeite drei weitere Aufgaben ohne Nachschlagen. Nutze die Rückmeldung, um gezielt weiterzulernen.
Löse die Aufgaben ohne Nachschlagen. Bei Zahlen sind Dezimalkomma und Dezimalpunkt möglich. Verwende keine Tausenderpunkte.
Die Aufgaben sind unterschiedlich. Die Ergebnisse geben dir eine kurze Orientierung zu deinem Lernstand.
Physikhelfer
Rechne eine Diode in Durchlassrichtung mit Vorwiderstand und vorgegebener Durchlassspannung. Zusätzlich kannst du die Widerstandsleistung und die elektrische Leistung der Diode bestimmen. Kennlinie, Sperrstrom und Durchbruch sind nicht enthalten. Wähle deine gesuchte Größe und lass dir den Rechenweg Schritt für Schritt zeigen.
Kostenlos und ohne Anmeldung. Ein Rücklink führt dich wieder zu dieser Erklärung.
Erst vorhersagen oder selbst rechnen, dann die Lösung öffnen.
Nein. Fern vom Übergang gleichen sich bewegliche Elektronen und ortsfeste positive Ladungen annähernd aus.
Negative Akzeptorionen auf der p-Seite und positive Donatorionen auf der n-Seite.
Durchlassrichtung. Die äußere Spannung senkt die innere Barriere; bei ausreichender Spannung steigt der Strom stark.
Sie wird breiter. Mehrheitsladungsträger werden vom Übergang weggezogen.
Am Widerstand liegen 2,3 V. I = 2,3 mA im Konstantspannungsmodell.
Nein. Die einfache Einweggleichrichtung lässt nur eine Halbwelle durch; das Ergebnis pulsiert.
Fachlicher Abgleich der Grundlagen: OpenStax · University Physics.
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Diese Materialien ergänzen die Erklärung und unterstützen dich beim Üben und Nachschlagen.
Elektrizitätslehre und weitere physikalische Grundlagen im Zusammenhang wiederholen. Das Nachschlagewerk richtet sich an Klasse 5–10.
5. Klasse · 6. Klasse · 7. Klasse · 8. Klasse · 9. Klasse · 10. Klasse
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