Als Kennlinie bezeichnet man ein Diagramm, das wichtige Größen, hier Spannung und Stromstärke in ihrer gegenseitigen Abhängigkeit darstellt. Für jeden Diodentyp ergibt sich z.B. ein typischer Verlauf der Durchlasskennlinie. So erkennt man z.B. Leuchtdioden (LED) an ihrer relativ großen Durchlassspannung von über 1,5 V.

Zur Aufnahme einer Kennlinie benötigt man eine regelbare Spannungsquelle oder eine feste Spannungsquelle und ein Potentiometer. Man misst nacheinander für einige Messpunkte die Spannung und die Stromstärke des Prüflings. Die Wertepaare werden in einer Tabelle aufgelistet und dann in ein Diagramm übertragen.

Aufbau zur Aufnahme von Kennlinien

Die Kennlinien verschiedener Dioden sind zwar gegeneinander verschoben, sie zeigen jedoch bei nicht zu großen Strömen alle den gleichen steilen Anstieg oberhalb einer gewissen Schwelle. Der Anstieg ist exponentiell, wobei jeweils eine Erhöhung um ca. 20 mV zu einer Verdoppelung des Stroms führt. Ein zehnfacher Strom erhöht die Diodenspannung um etwa 60 mV bis 80 mV. Dieser Zusammenhang gilt mit guter Genauigkeit über große Bereiche. Der scheinbare Knick in der Diodenkennlinie ist nur auf den Darstellungsmaßstab zurückzuführen. Trägt man den Diodenstrom im logarithmischen Maßstab gegen die Diodenspannung auf, dann ergibt sich eine Gerade. Die folgende Kennlinie zeigt diese Darstellung für eine typische Si-Diode. Der streng exponentielle Verlauf der Kennlinie wird erst bei wesentlich größeren Strömen durch den Bahnwiderstand der Diode gestört, der auf die endliche Leitfähigkeit des dotierten Siliziums zurückzuführen ist und als ohmscher Widerstand in Reihe zur Sperrschicht in Erscheinung tritt.

Diodenkennlinie im logarithmischen Maßstab

Die Durchlassspannung bei gleichem Strom ist stark temperaturabhängig. Sie sinkt mit etwa 2 mV pro °C für alle Diodentypen. Eine Messung der Kennlinie kann daher durch die innere Erwärmung der Diode beeinflusst werden. Andererseits lässt sich z.B. eine einfache Siliziumdiode als Temperatursensor einsetzen.

Der steile Anstieg der Diodenkennlinie kann für Stabilisierungszwecke ausgenutzt werden. Bei einem konstanten Strom stellt sich eine für den Diodentyp charakteristische Spannung ein. Die Diodenkennlinie wird durch folgende Gleichung beschrieben:

I:             Diodenstrom
I_S:           Sperrstrom
U:           Diodenspannung zwischen Kathode und Anode
U_T:         Temperaturspannung, U_T = kT/e = 25,5 mV
               Boltzmannkonstante k = 1,38*10^-23 J/K
               Absolute Temperatur T = 296 K = 23°C
               Elektronenladung e = 1,6*10^-19 C
m:           Korrekturfaktor, >1

Die Gleichung zeigt einen exponentiellen Anstieg des Diodenstroms in Durchlassrichtung. Die Steilheit ergibt sich aus der allein aus physikalischen Naturkonstanten ableitbaren Temperaturspannung U_T (25,5mV bei 23°C, 25 mV bei 17°C) und dem Korrekturfaktor m, der meist etwas größer als 1 ist. Die absolute Lage der Kurve wird durch den Sperrstrom I_S festgelegt. I_S ist eine theoretische Größe, die kaum praktisch nachzumessen ist und vielmehr aus der Durchlassspannung an einem beliebigen Arbeitspunkt bestimmt werden kann. Bei Germaniumdioden ist I_S wesentlich größer (typ. 100 nA) als bei Siliziumdioden (typ. 10 pA), weshalb die Ge-Kennlinie zu kleineren Spannungen hin verschoben ist. Typische Werte für die korrigierte Temperaturspannung mU_T liegen für beide Typen bei 30 mV (m ist ca. 1,2).

Sowohl die Temperaturspannung U_T als auch der Sperrstrom I_S sind von der Temperatur abhängig. Die Temperatur wird dabei in Kelvin angegeben (0 °C = 273 K). Insgesamt ergibt sich ein Abfall der Diodenspannung um etwa 2 mV/K. Auch der Sperrstrom ist stark von der Temperatur abhängig. Eine Temperaturerhöhung um zehn Grad verdoppelt den Sperrstrom.

Kennlinien einer Si-Diode zwischen 0 °C und 50 °C

Die Diodenkennlinie hat an jeder Stelle eine zum Diodenstrom I selbst proportionale Steilheit DI/DU. Bei einem Strom von 1 mA beträgt sie etwa 25...40 mA/V. Man kann der Diode daher in jedem Arbeitspunkt einen differentiellen Widerstand R_i zuordnen. Bei I = 1mA beträgt der Innenwiderstand etwa R_i = 30 Ω. Dieser Wert gilt für kleine Spannungsänderungen und kleine überlagerte Wechselströme, solange die Wechselspannung klein gegenüber der Krümmung der Diodenkennlinie ist, also in der Größenordnung von 1 mV.

Man kann die Diode als regelbaren, stromgesteuerten Widerstand einsetzen, um kleine Signalspannungen abzuschwächen. Spezielle Regeldioden werden für den Hochfrequenzeinsatz hergestellt. Auch der Einsatz als Schalter ist möglich.

Jede Diode hat zusätzlich einen gewissen Bahnwiderstand, der wie ein ohmscher Widerstand in Reihe zur Sperrschicht wirkt. Bei größeren Strömen bewirkt er eine Abweichung vom idealen Verlauf der Kennlinie. Der Bahnwiderstand ist bei Si-Dioden relativ klein und kann bei Ge-Dioden und bei LEDs erhebliche Werte annehmen. Bei größeren Strömen kann der differentielle Innenwiderstand der Sperrschicht kleiner als der Bahnwiderstand werden, so dass der Bahnwiderstand den Verlauf der Kennlinie bestimmt.