Elektronikfiebel Kompakt: Spannung, Strom, Widerstand und die Diode

Quelle: Elektronik-Fibel


Willkommen zu unserem Podcast, der sich auf eine
Vertiefung der Grundlagen der Elektronik
konzentriert. Basierend auf Auszügen aus der
"Elektronikfiebel von Patrick Schnabel" ist es
unsere Mission, die Essenz herauszufiltern und die Elektronik
einfach zu erklären, denn das Verständnis der Basis ist
entscheidend.


Wir beginnen mit der elektrischen Spannung U,
die als eine Art Druck auf die Elektronen
beschrieben wird. Dieser Druck entsteht durch einen
Ladungsunterschied, zum Beispiel an den Polen einer Batterie, und
ist die Ursache dafür, dass sich überhaupt Elektronen bewegen.
Das Formelzeichen 'U' könnte dabei vom lateinischen 'urgere'
(drängen oder drücken) abgeleitet sein. Darauf aufbauend erklären
wir den elektrischen Strom I, der die
gerichtete Bewegung dieser Ladungsträger ist.
Dabei beleuchten wir den wichtigen Unterschied zwischen der
technischen Stromrichtung (von Plus nach Minus),
die historisch festgelegt und meist in Schaltplänen verwendet
wird, und der physikalischen Stromrichtung (von Minus
nach Plus), die den tatsächlichen Elektronenfluss
beschreibt.


Ein weiteres fundamentales Konzept ist der elektrische
Widerstand R, der als Bremse für den
Stromfluss dient. Jedes Bauteil und jeder Draht besitzt
einen gewissen Widerstand, der begrenzt, wie viel Strom bei einer
gegebenen Spannung fließen kann. Diese drei Größen – Spannung,
Strom und Widerstand – hängen eng zusammen und werden durch das
Ohmsche Gesetz U = R * I verbunden, welches eine
zentrale Formel in der Elektronik darstellt. Mit dieser Formel
kann man eine Größe berechnen, wenn zwei andere bekannt sind.


Wir gehen jedoch über die idealen Fälle hinaus und betrachten,
wann das Ohmsche Gesetz nicht immer perfekt gilt, insbesondere
bei Halbleitern wie Silizium. Deren
Leitfähigkeit liegt zwischen der von Leitern und Isolatoren und
kann gezielt durch äußere Einflüsse wie Temperatur oder
Licht, aber auch durch Dotierung beeinflusst werden.
Dies ermöglicht die Erzeugung von N-leitenden Bereichen
mit Elektronenüberschuss und P-leitenden
Bereichen mit Elektronenmangel. Das Herzstück
vieler elektronischer Bauteile ist der PN-Übergang, der
entsteht, wenn diese P- und N-Bereiche zusammengebracht werden.


Als herausragendes Beispiel für einen solchen Bauteil wird die
Diode ausführlich behandelt. Sie fungiert als
"Einbahnstraße für Strom": In der
Durchlassrichtung lässt sie den Strom passieren, allerdings erst,
nachdem eine kleine Schwellspannung (bei Siliziumdioden
etwa 0,7 Volt) überwunden wurde. In der Sperrrichtung
hingegen blockiert sie den Stromfluss nahezu vollständig durch
einen extrem hohen Widerstand. Das nicht-lineare Verhalten der
Diode zeigt eindrucksvoll, wie die Grundprinzipien
zusammenspielen und warum das Ohmsche Gesetz hier nicht immer
einfach anwendbar ist.


Abschließend regt der Podcast zu einer Überlegung an: Wenn schon
ein scheinbar einfaches Bauteil wie die Diode nicht perfekt
linear funktioniert und sein Verhalten von Spannung und
Temperatur abhängt, wie präzise lässt sich dann das Verhalten von
komplexen integrierten Schaltungen mit Millionen oder Milliarden
solcher Elemente vorhersagen und kontrollieren? Dies schlägt die
Brücke von den idealisierten Grundlagen zur realen, oft
sehr komplexen Welt der Mikroelektronik.