11.3 : Diode: Sperrvorspannung

Eine Diode ist in Sperrrichtung vorgespannt, wenn der positive Anschluss einer externen Spannungsquelle mit dem n-Typ-Material und der negative Anschluss mit dem p-Typ-Material verbunden ist. Diese Konfiguration ist der natürlichen Richtung des Stromflusses durch die Diode entgegengesetzt und vergrößert effektiv die Breite der Verarmungszone und das Sperrpotential. Die Sperrvorspannung erzeugt einen minimalen Leckstrom, der hauptsächlich auf Minoritätsladungsträger zurückzuführen ist. Dieser Leckstrom wird signifikant, wenn die Sperrspannung die thermische Spannung unter normalen Raumbedingungen übersteigt, was zu einer abgeflachten Strom-Spannungs-(I-V)-Antwortkurve führt. Im Gegensatz zum exponentiellen Stromanstieg, der bei Vorwärtsvorspannung beobachtet wird, ist der Anstieg bei Sperrvorspannung vernachlässigbar.

In der Praxis übersteigt der Sperrstrom in Dioden jedoch häufig den vorhergesagten Sättigungsstrom. Beispielsweise können Dioden, die für kleine Signale mit Sperrsättigungsströmen im Femtoampere-Bereich ausgelegt sind, Sperrströme im Nanoampere-Bereich aufweisen. Während dieser Sperrstrom mit der Sperrspannung leicht zunimmt, sind diese Änderungen zu gering, um die I-V-Kurve merklich zu beeinflussen. Dieser Sperrstrom entsteht durch die Erzeugung thermischer Ladungsträger innerhalb der Sperrschicht, abhängig von den physikalischen Abmessungen der Diodensperrschicht.

Ein starker Anstieg des Sperrstroms tritt auf, wenn die angelegte Sperrspannung einen kritischen Schwellenwert erreicht, der als Durchbruchspannung bezeichnet wird und für jede Diode spezifisch ist. Dieses Phänomen, das durch den Knick auf der I-V-Kurve dargestellt wird, bedeutet einen erheblichen Stromanstieg bei minimalem Spannungsanstieg.

Es ist wichtig zu erkennen, dass ein Diodendurchbruch nicht von Natur aus schädlich ist, vorausgesetzt, der Strom bleibt innerhalb seines sicheren Betriebsbereichs, der normalerweise durch seine maximale Leistungsableitungskapazität im Datenblatt definiert ist. Externe Schaltkreise, die den Sperrstrom auf sichere Werte begrenzen, sind notwendig, um mögliche Schäden zu verhindern. Zenerdioden, die so konstruiert sind, dass sie innerhalb des Durchbruchbereichs zur Spannungsregulierung funktionieren, sind Beispiele für Dioden, die unter diesen Bedingungen sicher arbeiten.