{"id":52403,"date":"2023-01-29T12:16:11","date_gmt":"2023-01-29T11:16:11","guid":{"rendered":"https:\/\/botland.com.pl\/blog\/dioda-schottkyego-jak-to-dziala\/"},"modified":"2023-03-31T12:23:39","modified_gmt":"2023-03-31T10:23:39","slug":"schottky-diode-wie-funktioniert-sie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/botland.de\/blog\/schottky-diode-wie-funktioniert-sie\/","title":{"rendered":"Schottky-Diode – Wie funktioniert sie?"},"content":{"rendered":"Lesezeit<\/span> 9<\/span> min.<\/span><\/span>\t\t
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Eine Schottky-Diode<\/a> ist eine besondere Art von Diode mit einzigartigen physikalischen Eigenschaften. F\u00fcr Elektronikingenieure ist sie ein hervorragendes Werkzeug, mit dem sich komplexe Schaltungen aufbauen lassen. F\u00fcr den Durchschnittsb\u00fcrger, der sich nicht f\u00fcr Elektronik interessiert, ist die Schottky-Diode<\/b> jedoch ein unbekanntes Bauteil, das jeden Tag unwissentlich verwendet wird. Beispiele daf\u00fcr sind die beliebten Impulsladeger\u00e4te, die h\u00e4ufig zur Stromversorgung von Fernsehger\u00e4ten verwendet werden, oder die Netzteile f\u00fcr LCD-Computermonitore. <\/p>\n

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Was ist eine Diode? Wie funktioniert sie? <\/h2>\n

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Eine Diode<\/a> ist ein bekanntes elektronisches Bauteil, das f\u00fcr diejenigen, die sich nicht so sehr f\u00fcr Elektronik interessieren, am h\u00e4ufigsten mit der Leuchtdiode (LED) in Verbindung gebracht wird. Es ist wichtig zu wissen, dass dies nur eine der vielen Arten von Dioden ist, die in vielen elektronischen Ger\u00e4ten sind, die wir t\u00e4glich benutzen. Wie funktioniert eine Diode<\/b>? Um diese Frage zu beantworten, sollte man zun\u00e4chst wissen, dass eine D<\/b>iode ein elektronisches Bauteil mit zwei Elektroden ist – einer Anode und einer Kathode<\/b><\/strong> (aus diesem Grund wird sie oft als Zweielektroden- oder Zweipol-Diode bezeichnet). Es handelt sich um ein Bauteil, das Elektrizit\u00e4t asymmetrisch leitet<\/b>: Die Idee ist, dass der Strom in eine der beiden Richtungen “besser” und in die andere weniger gut flie\u00dft. <\/p>\n

Diode – Funktionsprinzip<\/h3>\n

Das Leiten von Strom nur in einer Richtung (in der so genannten Leitungsrichtung<\/em>) ist in der Regel das Wesentliche am Betrieb einer Diode. Die andere Richtung sollte durch die Diode so weit wie m\u00f6glich blockiert werden (obwohl es in der Tat einen Nachteil dieser Elemente gibt, n\u00e4mlich das Ph\u00e4nomen des so genannten Leckstroms – R\u00fcckstrom<\/em>). Eine Schottky-Diode ist also eine Diode, die den Strom in eine Richtung leitet. <\/p>\n

Wie die Diode aussieht<\/b>, sehen Sie auf dem Bild unten.<\/p>\n

\"Dioden\"<\/p>\n

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Schottky-Dioden – Anwendung von Dioden<\/h2>\n

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Aufgrund dieser physikalischen Eigenschaften k\u00f6nnen Dioden in vielen praktischen Ger\u00e4ten erfolgreich eingesetzt werden, z. B. in Rundfunkempf\u00e4ngern<\/strong> oder Gleichrichtern<\/strong> (Ger\u00e4te zur Gleichrichtung von Wechselspannung – z. B. zum Aufladen einer Autobatterie mit Strom aus einer Haushaltssteckdose). Dioden werden aus Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt – die Verwendung verschiedener Arten von Materialien und die Wahl der Parameter f\u00fcr die Erzeugung des p-n-\u00dcbergangs beeinflussen die endg\u00fcltigen Leistungsmerkmale der Diode. Je nach den physikalischen Eigenschaften der Dioden k\u00f6nnen sie f\u00fcr unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden. LEDs haben beispielsweise elektrolumineszierende Eigenschaften, so dass sie als Lichtquelle verwendet werden k\u00f6nnen. Zenerdioden zeigen bei einer bestimmten Spannung in umgekehrter Richtung einen pl\u00f6tzlichen Anstieg ihres Sperrstroms – sie werden in Ger\u00e4ten verwendet, die Spannungsstabilisierungsfunktionen \u00fcbernehmen. Es gibt auch eine ganz besondere Art von Dioden – die so genannte Schottky-Diode. <\/p>\n

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Schottky-Diode<\/h2>\n

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P-n-\u00dcbergang in Dioden<\/h2>\n

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Ein \u00dcbergang ist die Verbindung zweier Halbleiter- oder Metallkristalle in der Weise, dass sie einen engen Kontakt zueinander bilden. Ein p-n-\u00dcbergang ist eine Art \u00dcbergangsschicht zwischen einem Halbleiter vom p-Typ (positiv) und einem Halbleiter vom n-Typ (negativ). Wenn die Konzentration von L\u00f6chern gr\u00f6\u00dfer ist als die von Elektronen (aufgrund des Vorhandenseins eines Akzeptor-Dotierstoffs im p-Bereich), deutet dies auf Lochleitung hin. Eine h\u00f6here Elektronenkonzentration deutet auf Elektronenleitung hin, was auf das Vorhandensein einer Donor-Dotierung im n-Typ-Bereich zur\u00fcckzuf\u00fchren ist. Je nach Fall k\u00f6nnen die Mehrheitstr\u00e4ger Elektronen im n-Typ-Bereich oder L\u00f6cher im p-Typ-Bereich sein. <\/p>\n

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Beispiel f\u00fcr eine Schottky-Diode mit einer maximalen Betriebsspannung von 40 V.<\/figcaption><\/figure>\n

Die Einzigartigkeit der Schottky-Diode – m-s-\u00dcbergang<\/h2>\n

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Eine Schottky-Diode ist ein Sonderfall unter diesen Elementen – es handelt sich um eine Halbleiterdiode<\/strong>, die einen Metall-Halbleiter<\/strong>-\u00dcbergang anstelle eines p-n-\u00dcbergangs hat (solche Elemente werden oft mit dem Symbol m-s bezeichnet). Die m-s-\u00dcberg\u00e4nge werden meist in Form einer vorgeformten Halbleiter- und Metallbeschichtung hergestellt. Die Strom-Spannungs-Kennlinien solcher \u00dcberg\u00e4nge werden in lineare (ohmsche) und nichtlineare unterteilt. Bei den m-s-\u00dcberg\u00e4ngen mit nichtlinearen Eigenschaften handelt es sich um gleichrichtende \u00dcberg\u00e4nge, wie sie z. B. in Schottky-Dioden verwendet werden. In Leitern mit einem p-n-\u00dcbergang entsteht der in Leitungsrichtung flie\u00dfende Strom durch die Bewegung von Minorit\u00e4tstr\u00e4gern, also v\u00f6llig anders als in einer Schottky-Diode, wo der Strom durch die Bewegung von Majorit\u00e4tstr\u00e4gern entsteht. Bei einem n-Typ-Halbleiter werden die in das Metall flie\u00dfenden Elektronen zu Mehrheitsleitern. <\/p>\n

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Schottky-Diode im Vergleich zu anderen Diodentypen<\/h2>\n

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Die Schottky-Diode zeichnet sich durch eine sehr geringe Sperrschichtkapazit\u00e4t<\/strong> aus, was zu einer sehr geringen Schaltzeit<\/strong> f\u00fchrt. Diese Eigenschaften legen einen Vergleich mit der Blattdiode nahe, die \u00e4hnliche Eigenschaften hat. Allerdings ist die Schottky-Diode wesentlich unzuverl\u00e4ssiger (auch mechanisch – sto\u00dffest), hat eine geringere Streuung der Parameterwerte, einen deutlich geringeren Sperrstrom, einen geringeren Widerstand in Durchlassrichtung, aber eine h\u00f6here parasit\u00e4re Kapazit\u00e4t. Bei einer Schichtdiode baut sich im p-n-\u00dcbergang w\u00e4hrend des Leitens eine relativ gro\u00dfe Ladung auf, was Dioden mit solchen Eigenschaften u. a. von der Eignung f\u00fcr Aufgaben ausschlie\u00dft, bei denen sie z. B. hohe Frequenzen verarbeiten m\u00fcssen. Eine Schottky-Diode hat eine sehr geringe Tr\u00e4gheit, eben weil die Ladung, die sich im Metall-Halbleiter-\u00dcbergang ansammelt, klein ist – damit ist sie sehr gut f\u00fcr Schaltvorg\u00e4nge und sehr hohe Frequenzbereiche geeignet. Dies ist eine der wichtigsten Eigenschaften, die Schottky-Dioden u. a. als Bestandteile von Impulsladeger\u00e4ten (wie sie heute u. a. f\u00fcr die Stromversorgung von Fernsehger\u00e4ten verwendet werden) oder Mischern (elektronische Schaltungen, die aus zwei variablen Signalen ein drittes mit einer Frequenz erzeugen sollen, die eine Kombination der Signale des Eingangs ist) n\u00fctzlich machen. <\/p>\n

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Zusammenfassung<\/h2>\n

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Eine Schottky-Diode ist eine Halbleiterdiode, die anstelle eines p-n-\u00dcbergangs einen m-s- (Metall-Leiter-) \u00dcbergang hat. Diese Anordnung verleiht dem Element gleichrichtende Eigenschaften (Strom kann nur in eine Richtung flie\u00dfen). Die Standardschaltzeit betr\u00e4gt etwa 100 Pikosekunden – ein so geringer Wert ist auf die sehr geringe Kapazit\u00e4t des \u00dcbergangs zur\u00fcckzuf\u00fchren (die Diode hat ein sehr geringes Tr\u00e4gheitsmoment). Dies ist eine hervorragende Leistung f\u00fcr Schaltungen, die mit sehr hohen Frequenzen arbeiten. <\/p>\n

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Warum ist eine Diode so n\u00fctzlich? Spannungsabfall <\/h2>\n

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Schottky-Dioden zeichnen sich durch eine Reihe von positiven Aspekten aus – dazu geh\u00f6ren sehr niedrige maximale Sperrspannung<\/strong>\u00fcberschreitet selten die 100-V-Grenze. Man sollte wissen, dass Siliziumdioden derzeit massenhaft in der Industrie eingesetzt werden – im Vergleich dazu haben Schottky-Dioden jedoch einen etwa doppelt so hohen Spannungsabfall in Durchlassrichtung – er betr\u00e4gt etwa 0,3 V.<\/p>\n

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Eigenschaften einer Schottky-Diode und ihre Verwendung<\/h2>\n

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Eine Schottky-Diode besteht aus einer Metallschicht und einer Halbleiterschicht, bei der es sich in der Regel um Silizium handelt. Aufgrund ihrer Eigenschaften eignet sie sich ideal f\u00fcr zahlreiche Anwendungen in der Elektronik – als Bauteil zum Schutz empfindlicher elektronischer Schaltungen und als Gleichrichter f\u00fcr Signale mit sehr hoher Frequenz. In diesen Anwendungen ist sie viel leistungsf\u00e4higer als eine herk\u00f6mmliche Siliziumdiode – sie unterscheidet sich vor allem durch den geringeren Spannungsabfall und die viel h\u00f6heren Frequenzen, die sie erfolgreich verarbeiten kann. Ihre Betriebseigenschaften haben dazu gef\u00fchrt, dass sie oft als Hei\u00dftr\u00e4gerdiode<\/em><\/strong> oder Barrierediode<\/em><\/strong> bezeichnet wird. Die niedrige Leitspannung beginnt bei etwa 150 mV und reicht bis etwa 500 mV, wobei der niedrigste Wert bei Siliziumdioden bei mindestens 600 mV liegt. Der oben beschriebene so genannte Sperrschicht\u00fcbergang<\/em> (oft auch als Schottky-Barriere bezeichnet) wird durch die Verbindung eines Halbleiters mit einem Metall gebildet. Bei dem Halbleiter handelt es sich meist um Silizium, w\u00e4hrend das Metall in der Regel aus Platin, Wolfram, Molybd\u00e4n oder Chrom ausgew\u00e4hlt wird. Die Wahl der Materialien, die als Anode (Art des Metalls) und Kathode (Art des Halbleiters) fungieren, bestimmt den Wert der Leitspannung, den eine Schottky-Diode erreichen wird. <\/p>\n

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Widerstandsf\u00e4higkeit gegen Durchstiche und W\u00e4rmeableitung<\/h2>\n

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Die Vakuumbeschichtung ist eine sehr gute M\u00f6glichkeit, die Metallschicht optimal auf das Halbleitersubstrat aufzubringen. Die Anode wird zur Metallseite, w\u00e4hrend die Kathode der Halbleiter ist. Das Metall dient in erster Linie als Widerstandskontakt f\u00fcr die Anode – es ist lediglich eine d\u00fcnne Schicht, die auf das Silizium aufgebracht wird. In dieser Anordnung zeigt sich eine Art Nachteil gegen\u00fcber den herk\u00f6mmlichen Siliziumdioden. Elemente mit derart d\u00fcnnen Dr\u00e4hten werden oft zu “schwachen Zellen” und machen die gesamte Diode viel weniger widerstandsf\u00e4hig gegen Durchschl\u00e4ge. Dar\u00fcber hinaus ist anzumerken, dass die Schottky-Diode im Vergleich zu ihrem proportionalen Gegenst\u00fcck mit p-n-\u00dcbergang viel weniger W\u00e4rme aus dem Schaltkreis abstrahlt. Der Grund f\u00fcr diese Eigenschaften liegt in der Verwendung eines Metalls, das st\u00e4ndig in direktem Kontakt mit dem Schottky-\u00dcbergang steht. <\/p>\n

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Tr\u00e4gheit und Regenerationszeit<\/h2>\n

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Eine Schottky-Diode ist ein elektronisches Halbleiterbauelement, dessen wichtigstes Unterscheidungsmerkmal zu einer herk\u00f6mmlichen Sperrschichtdiode darin besteht, dass seine Hauptladungstr\u00e4ger Elektronen sind. Das liegt daran, dass sich im N-Halbleiter (in der Kathode – in der Regel Silizium) viel mehr von ihnen befinden als in der Anode, so dass sie als Stromtr\u00e4ger fungieren. Die Metallschicht ist elektrisch v\u00f6llig inert. All diese Merkmale tragen dazu bei, dass eine Schottky-Diode eine viel geringere Tr\u00e4gheit aufweist als herk\u00f6mmliche Dioden. Der letzte Grund ist, dass es keinen so genannten verarmten Bereich an der Sperrschicht gibt, was sich direkt in einer sehr kurzen Regenerationszeit niederschl\u00e4gt. Diese wird ben\u00f6tigt, um von einem Zustand, in dem die Diode leitend ist, in einen Zustand \u00fcberzugehen, in dem die Diode eine Barrierefunktion hat (z. B. zum Schutz des Schaltkreises vor einer falschen Stromversorgung, die die installierten empfindlichen elektronischen Bauteile besch\u00e4digen w\u00fcrde, wenn der Strom in die entgegengesetzte Richtung flie\u00dft). Der Unterschied zwischen herk\u00f6mmlichen p-n-\u00dcbergangsdioden ist betr\u00e4chtlich, denn eine so genannte p-n-Diode ben\u00f6tigt im besten Fall mehrere hundert Nanosekunden, es k\u00f6nnen aber auch mehrere tausend Nanosekunden sein, w\u00e4hrend eine Schottky-Diode f\u00fcr die Regeneration Zehntel bis maximal einige Zehntel Nanosekunden ben\u00f6tigt. <\/p>\n

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Wie sieht das Symbol der Schottky-Diode aus? Dioden-Symbole <\/h2>\n

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Die meisten Menschen k\u00f6nnen das Symbol der Diode leicht erkennen. In elektronischen Schaltpl\u00e4nen ist die Linie, die den Draht symbolisiert, oft als schwarzes gleichschenkliges Dreieck zu sehen, dessen H\u00f6he vom Scheitelpunkt zwischen den gleichen Armen bis zur Basis mit dem Draht zusammenf\u00e4llt. Das Symbol hat immer noch eine gerade Linie, die sich der Basis des Dreiecks ann\u00e4hert – sie ist auch parallel zu ihr, aber genau an der Spitze des Dreiecks, die auch mit dem Leiter zusammenf\u00e4llt. Sie wird in der Regel so positioniert, dass die Person, die das Diagramm liest, die Anode auf der linken Seite (von der Basis des Dreiecks aus) und die Kathode auf der rechten Seite (von der Stelle aus, an der die Spitze des Dreiecks mit dem Draht verbunden ist) markiert hat. Das Ganze sieht aus wie ein schwarzer Pfeil, der auf einer Linie steht. F\u00fcr manche Menschen ist die LED ein gebr\u00e4uchlicheres Symbol – sie sieht genauso aus wie das oben beschriebene grundlegende LED-Symbol, hat aber zwei Pfeile \u00fcber dem “oberen Arm”, um die Lichtemission anzuzeigen. <\/p>\n

Schottky-Diode – Bezeichnungen<\/h2>\n

Auch die Schottky-Diode unterscheidet sich nur wenig von der Standard-Diodenbezeichnung. Auf dem Segment, das parallel zur Basis des Dreiecks verl\u00e4uft und die Spitze des Dreiecks tangiert, befindet sich an dessen Spitze ein zus\u00e4tzlicher Knick – sehr kurze, miteinander verbundene Segmente (das erste verl\u00e4uft nach rechts, das zweite nach unten). Am anderen Ende des Dreiecks befinden sich ebenfalls sehr kurze Segmente, die symmetrisch zu dem Punkt angeordnet sind, an dem sich der Draht und das Segment schneiden – das Ganze sieht also aus wie ein schwarzes Dreieck und ein sehr hoher Buchstabe “S”. <\/p>\n

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Symbol einer Schottky-Diode<\/figcaption><\/figure>\n

Wer hat die Schottky-Diode erfunden?<\/h2>\n

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Der Erfinder der Schottky-Diode war nat\u00fcrlich William Schottky. Er ist ein bekannter deutscher Wissenschaftler, der zwischen 1886 und 1976 in Westdeutschland lebte. Er trug zu vielen bahnbrechenden Entdeckungen bei, die heute indirekt von praktisch jedem genutzt werden. Im Alter von 26 Jahren erhielt er seinen Doktortitel und verfa\u00dfte seine Abschlussarbeit \u00fcber die besondere Relativit\u00e4tstheorie. Er studierte bei Professor Max Planck – dem Autor zahlreicher physikalischer Werke, der zu den Begr\u00fcndern der Quantentheorie geh\u00f6rte und 1918 den Nobelpreis f\u00fcr Physik erhielt. Zusammen mit Erwin Gerlach entwickelte William Schottky ein Ger\u00e4t, das noch heute in professionellen Tonstudios verwendet wird – das so genannte B\u00e4ndchenmikrofon. Eine seiner wichtigsten Leistungen war auch die Entdeckung von L\u00f6chern im Valenzband eines Halbleiters. Schottky verbesserte auch Elektronenr\u00f6hren, f\u00fchrte sehr wichtige theoretische Forschungen zum thermischen Rauschen und zum Schrotrauschen in Elektronenger\u00e4ten durch, schlug die Diffusionstheorie des Stromflusses durch den m-s-\u00dcbergang vor und legte den Grundstein f\u00fcr die Schottky-Diode. <\/p>\n

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Walter Hermann Schottky (1886-1976)<\/figcaption><\/figure>\n

Wo kommt die Schottky-Diode zum Einsatz?<\/h2>\n

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Die hohe Leistung der Schottky-Diode bei der Verarbeitung sehr hochfrequenter Signale bedeutet, dass sie sich hervorragend als Antispannungselement vor dem Eingang einer empfindlichen Schaltung eignet. Ihre sehr kurze Regenerationszeit macht sie auch zu einem sehr n\u00fctzlichen Element f\u00fcr den Einsatz in Wechselrichtern oder Aufw\u00e4rtswandlern. Durch die niedrige Spannung und die sehr kurze Regenerationszeit ist der Wirkungsgrad des Netzteils wesentlich h\u00f6her – er kann Werte von bis zu 90 % Effizienz erreichen. Es sei daran erinnert, dass dieser Diodentyp f\u00fcr Stromfrequenzen von h\u00f6chstens 100 GHz verwendet wird. Schottky-Dioden sind sehr oft eine praktische Alternative zu Germanium-Dioden – vor allem, wenn die Schwellenspannung so niedrig wie m\u00f6glich sein soll (in diesem Fall etwa 0,4 V). Der niedrige Spannungsabfall macht sie zu einem ausgezeichneten Bauteil f\u00fcr den Anschluss redundanter Stromversorgungen – ideal f\u00fcr Wechselrichter und andere Anwendungen. W\u00e4hrend des Betriebs ist es wichtig, auf die in der Schaltung auftretenden Temperaturen zu achten, da sich der Wert des so genannten R\u00fcckstroms zwischen 25 und 100 Grad Celsius sogar verdoppeln kann. <\/p>\n

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Wie l\u00e4sst sich der Wirkungsgrad einer Schottky-Diode \u00fcberpr\u00fcfen?<\/h2>\n

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Es kann vorkommen, dass ein Ger\u00e4t, das mit solchen elektronischen Bauteilen ausgestattet ist, nicht mehr funktioniert, und es wird vermutet, dass die Schottky-Diode der Fehler ist. Dies k\u00f6nnte zum Beispiel die Stromversorgung eines Monitors oder eines Fernsehers sein. In einem solchen Fall ist es wichtig, zu \u00fcberpr\u00fcfen, ob das Bauteil richtig funktioniert. Es ist jedoch n\u00fctzlich zu wissen, wie man das richtig macht. Der Versuch, eine Barrierediode auf die gleiche Weise zu testen wie eine normale Diode, f\u00fchrt nicht zu den gew\u00fcnschten Ergebnissen. Der Punkt ist, dass die gleichen Ergebnisse der gleichen Tests f\u00fcr einige Diodentypen disqualifizierend sind, w\u00e4hrend sie f\u00fcr andere einen korrekten Betrieb bedeuten. Sehr h\u00e4ufig werden in elektronischen Ger\u00e4ten dieser Art (Netzteile f\u00fcr Monitore oder Fernsehger\u00e4te) Bauteile verwendet, in denen mehr als eine Diode untergebracht ist, auch wenn es von au\u00dfen wie ein einziges Bauteil aussieht. Sehr oft befinden sich zwei Dioden in einem einzigen Geh\u00e4use, wie aus dem Datenblatt hervorgeht, in dem wahrscheinlich auch ein Schaltplan des gesamten Bauteils enthalten ist (das so genannte data sheet<\/em>). Die erste T\u00e4tigkeit der mit der Aufgabe betrauten Person sollte eine detaillierte Analyse dessen sein, was das zu untersuchende Element ist – ob es sich definitiv um eine Schottky-Diode handelt, wie sie aufgebaut ist und wie genau die Anschlussbelegung aussieht. Dann sollte, z. B. auf der Grundlage des in zuverl\u00e4ssigen Quellen im Internet gefundenen Wissens, eine Reihe von Tests entwickelt werden, um den aktuellen Zustand der Diode zu bestimmen. Dazu ist es sicherlich notwendig, ein Multimeter mit einem Ohmmeter zu verwenden. <\/p>\n

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Schottky-Diode – FAQ<\/h2>\n
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