Durchlassspannung / Schwellenspannung
Einleitung
Die Durchlassspannung, auch Schwellspannung genannt, ist ein wichtiger Wert bei der Diode.
Wie bereits aus den Grundlagen bekannt, kann die Diode sich in Durchlassrichtung oder in Sperrrichtung befinden.
Je nachdem, welche Spannung über der Diode anliegt.
Liegt eine positive Spannung an, befindet sie sich in Durchflussrichtung.
Allerdings ist es auch so, dass bei sehr geringen positiven Spannungen die Diode trotzdem noch sperrt.
Die Spannung muss also eine bestimmte Mindestspannung anliegen, damit Strom durch die Diode fließen kann.
Abhängig von dem verwendeten Dioden-Material ist auch der Wert der Durchlassspannung unterschiedlich. Bei Silizium-Dioden liegt sie typischerweise bei 0,7V.
Diodenkennlinie – Durchlassspannung
Die Durchlassspannung kann auch einfach in der Diodenkennlinie abgelesen werden. Hierzu schauen wir uns entsprechend die Durchlassrichtung an, sprich die Seite mit der positiven Spannung.
Hier sehen wir auch, dass bei niedrigen positiven Spannungen der Strom durch die Diode nahezu 0A ist.
Erst ab der Durchlassspannung beginnt der Strom anzusteigen.
Konkret kann die Durchlassspannung wie folgt in der Kennlinie ermittelt werden. Hierfür wird eine Tangente an die Diodenkennlinie angelegt. Der Schnittpunkt mit der X-Achse entspricht der Durchlassspannung. In diesem Fall liegt diese bei 0,7V.
⇨ Grundlagen zur Diodenkennlinie
Unten sind verschiedene Diodenkennlinien abgebildet. Es ist zu sehen, dass sich die Schwellspannung unterscheidet. Je nach Diodenmaterial.
Physikalische Erklärung / Halbleiter-Verhalten
Um die Frage zu beantworten, warum es die Durchlassspannung überhaupt gibt, muss man die Diode auf Halbleiterebene betrachten.
Dabei wissen wir, dass die Diode auf einem PN-Übergang basiert. Hierfür werden P und N dotierte Halbleiter zusammengefügt. Die Ladungsträger (Elektronen und Löcher) rekombinieren an der Grenze. Hierdurch bleiben nur die ortsfesten ionisierten Störstellen zurück. Zwischen diesen – also zwischen N und P Halbleiter – kommt es so zu einer Diffusionsspannung. Es entsteht eine Raumladungszone. Die Diffusionsspannung verhindert, dass weitere Ladungsträger rekombinieren, dann wirkt sie dem Strom entgegen.
Dabei liegt die Diffusionsspannung bei ca 0,7V.
Wird die Diode nun in Flussrichtung betrieben, muss erst diese Raumladungszone abgebaut werden, bevor ein Strom fließen kann. Das bedeutet, es muss die Diffusionsspannung erstmal abgebaut werden. Hierfür muss eine Spannung angelegt werden, welche in entgegengesetzter Richtung zur Diffusionsspannung wirkt und diese betragsmäßig übersteigt. Sie muss also größer sein als die 0,7V der Diffusionsspannung. Erst dann kann der Strom fließen.
Materialabhängigkeit + Temperaturabhängigkeit
Die Durchlassspannung ist abhängig vom verwendeten Grundmaterial des intrinsischen Halbleiters. Wird Silizium verwendet, liegt diese typischerweise bei ca 0,7V. Bei Germanium liegt sie bei ca 0,3V.
Im Beispiel ist auch die Schottky-Diode aufgeführt. Diese hat einen anderen Halbleiteraufbau als die typische PN-Diode (Metall-Halbleiter-Übergang → Schottky-Kontakt). Hier liegt die Durchlassspannung deshalb nur bei 0,5V.
Die Durchlassspannung ist aber auch von der Temperatur abhängig. Sie ist über einen weiten Bereich sogar fast linear, mit steigender Temperatur. Sie sinkt mit ca 2mV/K bei der Diode aus Silizium. Wie es sich in der Praxis verhält, kann man unten im Datenblatt auch sehen.
Datenblatt – Durchlassspannung
Den Wert der Durchlassspannung kann man auch im Datenblatt der Diode jeweils nachlesen. In diesem Beispiel betrachten wir die Diode vom Typ 1N4148 von der Firma NXP.
⇨ Datenblatt
Es steht unter den „forward voltage“-Parametern als Minimum 0,62V. Hierbei handelt es sich nicht um die Durchlassspannung. Es handelt sich um die Vorwärtsspannung – die Spannung welche normal über der Diode abfällt. Bei einem Strom von 5mA kann somit mindestens eine Spannung von 0,62V abfallen. Maximal eine Spannung von 0,72V.
Referenziert wird auf Fig3.
Weiter unten im Datenblatt ist die Fig3-Kennlinie abgebildet und zeigt das Verhalten im Vorwärtsbetrieb („Forward current as a function of forward voltage“). Dabei muss die Kennlinie (2) betrachtet werden, da diese die Raumtemperatur-Kondition abbildet. Die Durchlassspannung liegt ungefähr bei 0,7V , 0,8V. Hier ist auch die Abhängigkeit zur Temperatur zu erkennen.
