Schwellenspannung

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Die Schwellenspannung (auch Schleusenspannung, Durchlassspannung und Kniespannung sowie selten Knickspannung genannt) ist definitionsgemäß die an einer Sperrschicht eines Gleichrichters oder Diode anliegende elektrische Spannung, bei der der Strom merklich größer als der Sperrstrom wird.

Mögliche Definitionen für die Schwellenspannung sind:

  • Der Spannungsabfall an der Diode bei einem Strom von 1 mA. Dies wird üblicherweise bei Messgeräten mit eingebautem Diodentester gemacht und entspricht normalerweise dem 1-kΩ-Messbereich im Widerstandsmessbereich des Messgerätes.
  • Die Spannung die im Kennlinien-Diagramm abgelesen werden kann, wenn der scheinbar geradlinige Teil bis zur x-Achse verlängert wird.

Beschreibung

Beispiel für eine Schwellenspannung in einem Nanodraht-MOSFET. Gezeigt wird die Strom-Spannungs-Kennlinie sowie die lokale Elektronendichte im Nanodraht. Die Schwellspannung beträgt hier 0,45 V.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Sperrschicht hat jedoch keinen Kennlinienknick oder eine natürliche Schwellspannung, dies ist vielmehr ein Missverständnis, das durch den groben Maßstab bei der Darstellung der Kennlinie entsteht. Vielmehr ist die Kennlinie eine Exponentialfunktion und der differentielle Innenwiderstand wird zum Koordinatenursprung hin immer höher.

Die solcherart bestimmten Schwellenspannungen von Germanium-Signal-Dioden und von Schottky-Dioden beginnen typ. bei 0,3 V, die von Silizium-Dioden bei typ. 0,6 V. Zum Beispiel wird ein Brückengleichrichter aus Siliziumdioden an einer Versorgungsspannung von 5 Veff unter Belastung nur eine Ausgangsspannung von ca. 3,6 VDC zur Verfügung stellen, weil stets zwei Dioden durchflossen werden.

Der Stromfluss durch die Diode kann nach Shockley folgendermaßen beschrieben werden:

$ I_\mathrm{d} = I_\mathrm{s} ( e^{U_\mathrm{d} /U_\mathrm{t}}-1 ) $

Dabei ist

  • Id: Diodenstrom
  • Is: Sättigungsstrom
  • Ud: Diodenspannung
  • Ut: Temperaturspannung, $ U_\mathrm{t} = \frac{kT}{e} \approx 26\,\mathrm{mV}\text{ bei } 300\,\mathrm{K} $
  • e: Elementarladung
  • k: Boltzmannkonstante
  • T: Absolute Temperatur

Abweichend wird der Begriff Durchlassspannung in der Technik üblicherweise für den Spannungsabfall an einer Diode oder ähnlichem Bauteil unter Betriebsbedingung verwendet. Ist beispielsweise ein Gleichrichter für ein Ampere zugelassen, so gibt der Hersteller die Spannung für diesen Strom und vorgegebener Umgebungstemperatur an.

Siehe auch

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