Diodenkennlinie
Das folgende Applet veranschaulicht die Funktionsweise der Diode, indem eine Spannung Upn von außen an einen pn-Übergang gelegt wird. Nach Vorgabe der Spannung Upn wird der Strom I durch die Diode berechnet. Darüber hinaus werden die Verteilungen der Ladungsträger (Elektronen und Löcher) im p- und n-Gebiet sowie das elektrische Feld E bestimmt und grafisch dargestellt.
Man sieht:
- Wird von außen eine elektrische Spannung Upn>0 an die Diode angelegt, so verringert sich die effektive, über dem pn-Übergang liegende Spannung und damit auch das elektrische Feld E. Als Folge davon überwiegt nun die Diffusionsbewegung; Elektronen werden verstärkt ins p-Gebiet und Löcher verstärkt in das n-Gebiet injiziert. Wegen der Neutralität außerhalb der RLZ müssen im gleichen Maße die Majoritätsträgerdichten (Löcher im p-Halbleiter, Elektronen im n-Halbleiter) ansteigen, so dass beide Ladungsträgerarten außerhalb der RLZ oberhalb ihrer Gleichgewichtsdichten liegen. Dies führt zur Rekombination der Ladungsträger. So rekombinieren z.B. die in das p-Gebiet injizierten Elektronen mit den dort befindlichen Löchern. Es müssen daher ständig Majoritätsträger aus den neutralen Gebieten nachgeliefert werden, was einem elektrischen Strom entspricht. Der Strom ist um so größer, je mehr Ladungsträger in die neutralen Gebiete injiziert werden, d.h. je höher die Konzentration der Ladungsträger an den Rändern Xp und Xn der RLZ ist. Diese Konzentration hängt exponentiell von der Spannung am pn-Übergang und damit von der von außen angelegten Spannung Upn ab. Der Strom I durch die Diode steigt daher exponentiell mit der Spannung Upn, was sich in der steil ansteigenden I-U-Kennlinie für U>0 zeigt.
- Für Spannungen Upn < 0 wird die effektive Spannung und damit die Feldstärke E am pn-Übergang erhöht. Dadurch überwiegt nun die Driftbewegung gegenüber dem Diffusionsvorgang und die Ladungsträgerdichten an den Stellen Xn und Xp sinken auf sehr kleine Werte ab. Es gelangen somit auch nur noch sehr wenige Ladungsträger durch die RLZ in das jeweils benachbarte Gebiet. Diese wenigen Ladungsträger liefern den so genannten Sperrstrom, der sehr klein ist und der auch für große negative Spannungen kaum noch wächst. Die I-U-Kennlinie zeigt daher für negative Spannungen kaum noch eine Änderung des Stromes I.
- Da sich mit der von außen angelegten Spannung Upn auch die Spannung am pn-Übergang - d.h. über der RLZ - ändert, verändert sich damit auch die Weite der gesamten Raumladungszone. Insbesondere wächst diese, wenn die Sperrspannung Upn<0 weiter zu negativen Werten hin erhöht wird. Die Spannung über der RLZ - die der Fläche unter dem Dreieck E(X) entspricht - ist dabei gleich der Diffusionsspannung abzüglich der Spannung Upn.