1N4148 Diode » Aufbau & Funktionsweise der Si-Diode einfach erklärt
Es gibt wohl keine andere Diode, die bei Schaltungsentwicklern, Service-Technikern, Hobby-Elektronikern und auch Herstellern so beliebt ist, wie die Kleinsignaldiode 1N4148. Deshalb ist es auch kein Wunder, dass diese kleinen und langlebigen Dioden in fast jeder elektronischen Schaltung verbaut werden.
Die Ursache dafür ist in erster Linie der Preis. Denn die Universaldiode ist für wenige Cent zu bekommen. Aber nicht nur der Preis, auch die technischen Leistungsmerkmale der Diode wissen zu überzeugen. Was die 1N4148 alles kann und wie eine Diode funktioniert, wollen wir hier etwas genauer erklären.
Eine Diode ist ein elektronisches Bauteil, das den Strom nur in eine Richtung fließen lässt. Man kann sich das so ähnlich wie bei einem Ventil an einem Fahrradreifen oder Autoreifen vorstellen. Bei einem intakten Ventil kann die Luft auch nur in eine Richtung durch das Ventil strömen. Ob das Ventil die Luft passieren lässt oder geschlossen ist, hängt davon ab, auf welcher Seite der Druck höher ist.
Wenn man eine Luftpumpe an einem Fahrradventil ansetzt und einen höheren Luftdruck erzeugt, als im Inneren des Reifens vorhanden ist, strömt die Luft über das Ventil in den Reifen. Dabei wird die Ventilkugel (1) von der einströmenden Luft nach unten gedrückt (Skizze A).
Ist der Reifen voll aufgepumpt, herrscht im Reifen ein höherer Luftdruck als außen. Die Ventilkugel (1) wird nach oben gedrückt und schließt das Luftventil (Skizze B).
Eine Diode funktioniert nach dem gleichen Prinzip, nur dass sie Strom statt Luft leitet.
Die beiden Anschlüsse der Diode werden Anode (A) und Kathode (K) genannt. Ist die von außen angelegte Spannung an der Anode um mindestens 0,7 V höher als an der Kathode, leitet die Diode. Das bedeutet, die Diode lässt den Strom von der Anode zur Kathode fließen und verhält sich wie ein geschlossener Schalter. Diese Stromrichtung wird auch als Durchlassrichtung (roter Pfeil) bezeichnet.
Ist der Spannungsunterschied zwischen Anode und Kathode geringer als 0,7 V, sperrt die Diode den Stromfluss. In diesem Fall ist der Schalter geöffnet. Wenn die Spannung umgepolt wird und an der Kathode das höhere Spannungspotential anliegt, sperrt die Diode ebenfalls. Die Sperrrichtung (blauer Pfeil) verläuft demzufolge entgegen der Durchlassrichtung – also von der Kathode zur Anode.
Wie hoch die jeweiligen Werte für den Durchlassstrom und die Sperrspannung sein dürfen, ist vom Diodentyp und vom Hersteller abhängig. Die genauen Werte können in den Informationen und Datenblättern des Herstellers nachgeschlagen werden.
Damit eine Diode den Strom unter den angegebenen Bedingungen leiten oder sperren und somit als Schaltdiode arbeiten kann, muss mit einem Halbleiter-Element gearbeitet werden. Deshalb zählen Dioden mit zu den elektronischen Komponenten.
Ein Halbleiter ist ein Stoff, der die Eigenschaften von Leitern und Isolatoren besitzt. Im Fall der Diode 1N4148 besteht das Halbleiter-Element aus reinem Silizium, das vier Elektronen auf der äußeren Schale (Valenzschale) besitzt. Da die äußere Schale aber bis zu 8 Elektronen Platz bietet, kann ein Siliziumatom mit bis zu vier weiteren Siliziumatomen eine Atombindung eingehen. Dadurch befinden sich acht Elektronen auf der Valenzschale. Beim Dotieren werden in die Gitterstruktur des Siliziums Fremdatome eingebaut. Dabei müssen die Fremdatome so ausgelegt sein, dass sie gut in die Gitterstruktur des Siliziums passen.
Wird das Silizium (Si) p-dotiert, werden z.B. Boratome (B) oder Aluminiumatome eingefügt. Beide Atome haben im Gegensatz zum Silizium nur 3 Elektronen (e) auf der Außenschale. Der freie Platz, der ein viertes Elektron aufnehmen könnte, wird als „Loch“ oder als "Defektelektron" bezeichnet. Wenn ein Nachbar-Elektron auf den freien Platz springt, wandert das Loch quasi durch das Siliziumkristall.
Wird das Silizium n-dotiert, werden z.B. Phosphoratome (P) eingefügt. Die Phosphoratome haben im Gegensatz zum Silizium 5 Elektronen auf der Außenschale. Dadurch bleibt pro Phosphoratom immer ein Elektron übrig, das sich ebenfalls frei durch die Silizium-Gitterstruktur bewegen kann.
Was passiert an einem pn-Übergang?
Wenn man nun ein n-dotiertes und ein p-dotiertes Siliziumkristall zusammenfügt, findet eine Diffusion statt.
Die Löcher im p-dotierten Teil, die einen Elektronenmangel darstellen, wandern nach rechts zum n-dotierten Teil mit dem Elektronenüberschuss.
Und die Elektronen vom n-dotierten Teil wandern nach links zu den Löchern in den p-dotierten Teil mit dem Elektronenmangel.
Durch das Wandern der Elektronen, die im Prinzip negative Ladungsträger darstellen, entsteht an der Grenzschicht zwischen den beiden unterschiedlich dotierten Bereichen ein internes elektrisches Feld (siehe grüner Bereich in der Abbildung).
Da sich durch die Diffusion im p-dotierten Bereich nun mehr Elektronen befinden als zuvor, entsteht hier ein Minus-Pol. Im n-dotierten Bereich entsteht durch das Abwandern der negativ geladenen Elektronen ein Plus-Pol.
Die Wirkung des entstehenden elektrischen Feldes (siehe grüner Pfeil) bremst die Diffusion. Denn der Minuspol des elektrischen Feldes verhindert, dass weitere Elektronen in den p-dotierten Bereich wechseln können. Der Pluspol sorgt dafür, dass keine weiteren Löcher in den n-dotierten Bereich wandern.
Die Diffusion ist abgeschlossen, wenn das elektrische Feld so stark ist, dass keine weiteren Vereinigungen von freien Elektronen mit den vorhandenen Löchern mehr stattfinden.
Bei Siliziumdioden beträgt die Diffusions-Spannung (D) des internen elektrischen Feldes 0,7 V. Bei Germaniumdioden beträgt der Wert ca.0,3 V. Da sich im Bereich des elektrischen Feldes keine freien Elektronen befinden, leitet dieser Bereich den Strom nicht. Deshalb wird diese Schicht auch Sperrschicht genannt.
Wichtig: Der Aufbau der Sperrschicht verläuft vollkommen selbsttätig, ohne dass auf den pn-Übergang von außen eine Beeinflussung stattgefunden hat. Um die Funktionsweise der Sperrschicht optisch anschaulich zu verdeutlichen, wurde die Sperrschicht in den beigefügten Bildern überproportional groß dargestellt. Je nach Diodentyp und Spannungsfestigkeit bewegt sich die tatsächliche Dicke der Schicht im µm-Bereich. Also lediglich einem Bruchteil eines Millimeters.
Wie bereits erwähnt, kann eine Diode in zwei Richtungen betrieben werden. In der Durchlassrichtung soll sie den Strom als elektrischer Leiter passieren lassen. In der Sperrrichtung soll sie als Isolator einen Stromfluss verhindern.
Betrieb in Durchlassrichtung
Beim Betrieb in der Durchlassrichtung ist die Spannung an der Anode höher als an der Kathode. Über der Diode baut sich eine Spannung mit einem externen elektrischen Feld (siehe blauer Pfeil) auf.
Dieses äußere elektrische Feld ist entgegen dem inneren elektrischen Feld der Sperrschicht gepolt und wirkt ihm quasi entgegen. Dadurch kann das äußere elektrische Feld das innere Feld beeinflussen.
Wenn die äußere Spannung (UB) z.B. 0,4 V beträgt, wird das innere elektrische Feld geschwächt und die Sperrschicht wird entsprechend schmäler. Die Spannung von 0,4 V reicht aber noch nicht aus, damit die Diode leitet.
Erst wenn die äußere Spannung (UB) die 0,7 V Grenze übersteigt und z.B. 0,8 V beträgt, ist das äußere elektrische Feld stärker als das innere elektrische Feld und die Sperrschicht ist nicht mehr wirksam.
Die Diode fungiert nun quasi als Leiter und lässt den Strom fließen. Allerdings beträgt der Spannungsabfall in Flussrichtung 0,7 V. Dieser Spannungsabfall ist unabhängig von der Stromstärke. Die verbleibende Differenzspannung zu UB von 0,1 V fällt im gezeigten Beispiel am Vorwiderstand Rv ab.
Fällt die äußere Spannung wieder unter 0,7 V, baut sich die Sperrschicht in der Diode wieder selbsttätig auf und die Diode sperrt den Stromfluss.
Betrieb in Sperrrichtung
Beim Betrieb in der Sperrrichtung ist die Spannung an der Kathode höher als an der Anode. Über der Diode baut sich wieder eine Spannung mit einem elektrischen Feld auf.
Allerdings ist in diesem Fall das äußere elektrische Feld genauso gepolt, wie das innere elektrische Feld der Sperrschicht.
Dadurch wird das innere Feld verstärkt und die isolierende Sperrschicht verbreitert sich.
Die Diode wird in diesem Fall keinen Strom fließen lassen. In den technischen Daten wird zwar in den meisten Fällen ein Sperrstrom angegeben, der ist aber so minimal, dass er vernachlässigbar ist.
Wie bereits erwähnt kann eine Diode als Leiter oder als Isolator genutzt werden. Allerdings sind der Strom, den die Diode leiten kann und die Spannung, die von der Diode gesperrt wird, begrenzt. Die Werte sind vom physikalischen Aufbau und von der Temperatur des Halbleiters abhängig.
Im Fall der 1N4148 beträgt der max. Dauerstrom ca. 300 mA, wobei die Diode auch eine kurzfristige Stromspitze von 500 mA verkraftet.
Die maximale Sperrspannung beträgt 75 V, wobei die Diode auch eine kurzfristige Spannungsspitze von 100 V aushalten kann.
Die maximale Verlustleistung der Diode 1N4148 beträgt 500 mW bei 25 °C.
Die angegebenen Werte variieren von Hersteller zu Hersteller leicht und mögen im ersten Moment nicht sehr hoch erscheinen. Wenn man aber bedenkt, dass die Diode in einem nur ca. 2 x 4 mm kleinen Gehäuse aus Glas untergebracht ist, relativieren sich die Werte. Dadurch benötigt die Diode in den Schaltungen sehr wenig Platz und der Glaskörper macht die Diode unempfindlich gegen mechanische Belastungen.
Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Schaltfrequenz, also wie schnell die Diode vom leitenden in den sperrenden Zustand und wieder zurück wechseln kann.
In diesem Bereich kann die 1N4148 voll punkten. Weil der pn-Übergang eine extrem geringe interne Kapazität aufweist, erfolgt die Umschaltung vom leitenden in den gesperrten Zustand in nur wenigen Nanosekunden. Dadurch kann eine Diode vom Typ 1N4148 für Frequenzen von 100 MHz (100 Millionen Schwingungen pro Sekunde) genutzt werden.
Wenn man dann auch noch den geringen Preis mit berücksichtigt wird klar, warum die Diode 1N4148 bei Schaltungsbauern und Entwicklern so beliebt ist.
Die Schaltdiode 1N4148 hat viele Anwendungsbereiche. Neben den allgemeinen Schaltaufgaben z.B. in Logikschaltungen oder in Geräten der Unterhaltungselektronik eignet sich die Diode auch ideal für extrem schnelle Schaltaufgaben. Aber auch für Schutzschaltungen bei der Signalverarbeitung oder für Hochgeschwindigkeits-Gleichrichtungen ist die 1N4148 hervorragend geeignet.
Damit die Diode richtig in die Schaltung eingesetzt wird, ist die Kathode am Glaskörper mit einem Ring gekennzeichnet.
Die genaue Funktion innerhalb einer Schaltung lässt sich sehr gut erklären, wenn man die Funktion der 1N4148 als Freilaufdiode betrachtet.
Sehr oft werden in der Elektronik Gleichspannungs-Relais (RL) verwendet, um mit einer kleinen Steuerspannung große Lasten zu schalten. Im gezeigten Beispiel wird ein Relais mit 12 V Betriebsspannung (UB) genutzt, um eine leistungsstarke 230 V Lampe (L) zu schalten. Das Relais selbst wird über einen kleinen Transistor (T) geschaltet, der wiederum von einer Elektronik (E) angesteuert wird. Die Ansteuerelektronik könnte z.B. ein Funkempfänger sein.
Eingeschalteter Zustand
Der Transistor übernimmt lediglich die Funktion eines Schalters. Wenn er mit einer positiven Spannung an der Basis (min. 0,7 V, denn auch die Basis-/Emitter-Strecke des Transistors ist ein pn-Übergang) angesteuert wird, schließt er den Relais-Stromkreis.
Sobald durch die Spule im Relais Strom fließt, baut sie ein Magnetfeld auf. Durch die magnetische Wirkung wird ein kleiner Metallhebel vom Eisenkern in der Spule angezogen. Dieser Hebel ist mechanisch mit dem Arbeitskontakt des Relais verbunden. Das Relais schließt daraufhin seinen Arbeitskontakt und die Lampe leuchtet.
Ausgeschalteter Zustand
Wenn die Steuerspannung an der Basis wieder unter 0,7 V fällt, sperrt der Transistor.
Das Relais ist nun nicht mehr mit dem Minuspotential der Betriebsspannung verbunden und das Magnetfeld der Spule bricht zusammen.
Der Arbeitskontakt wird durch eine Rückstellfeder im Relais automatisch geöffnet und die Lampe geht aus.
Einsatz einer Freilaufdiode
Soweit so einfach. Doch die Sache hat einen Haken. Die Spule des Relais wird auch als Induktivität bezeichnet. Und Induktivitäten können Spannungen erzeugen, wenn sich ein Magnetfeld in ihrer Nähe ändert. Diese technische Eigenart wird bei Transformatoren genutzt.
Und genau das passiert auch bei dem Relais in der Beispielschaltung. Sobald der Transistor sperrt, liegt an der Spule schlagartig keine Spannung mehr an. Weil die Energiezufuhr fehlt, bricht daraufhin das vorhandene Magnetfeld der Spule zusammen. Das zusammenbrechende Magnetfeld wiederum erzeugt einen Spannungsimpuls in der Spule. Die Polarität dieser selbstinduzierten Impulsspannung ist jedoch gegenüber der ursprünglichen Betriebsspannung gedreht. Das Pluspotential befindet sich nun am unten Anschluss und das Minuspotential am oberen Anschluss.
Damit der positive Impuls der Induktionsspannung am Schalttransistor keinen Schaden hervorrufen kann, wird eine Freilaufdiode verwendet.
Stromfluss im eingeschalteten Zustand
Im Normalbetrieb, wenn der Transistor durchschaltet und am Relais die Betriebsspannung anliegt, ist die Spannung an der Kathode höher als an der Anode. Die Diode sperrt.
Stromfluss im ausgeschalteten Zustand
Im Ausschaltmoment ist der Spannungsimpuls an der Anode höher als an der Kathode und die Freilaufdiode schließt den vom Relais induzierten Spannungsimpuls kurz.
Kann die Diode 1N4148 als auch Netzgleichrichter genommen werden?
Als Gleichrichter für die 230 V Wechselspannung ist die Diode nicht geeignet, da die Spannungsfestigkeit nicht gegeben ist. Schließlich handelt es sich bei der 1N4148 um eine Kleinsignaldiode. Für die Netzgleichrichtung wären Dioden vom Typ 1N4007 besser geeignet, da sie in Sperrrichtung eine höhere Spannungsfestigkeit haben.
In welchen Bauformen wird die Diode 1N4148 geliefert?
Neben der bedrahteten Version gibt es die Dioden auch in SMD- und MELF- Bauform.
Was bedeutet der Ring auf dem Gehäuse einer bedrahteten Diode?
Der Ring am Gehäuse markiert die Kathode, damit die Diode richtig in die Schaltung eingesetzt werden kann.