Schottky-Diode – Wie funktioniert sie?

Eine Schottky-Diode ist eine besondere Art von Diode mit einzigartigen physikalischen Eigenschaften. Für Elektronikingenieure ist sie ein hervorragendes Werkzeug, mit dem sich komplexe Schaltungen aufbauen lassen. Für den Durchschnittsbürger, der sich nicht für Elektronik interessiert, ist die Schottky-Diode jedoch ein unbekanntes Bauteil, das jeden Tag unwissentlich verwendet wird. Beispiele dafür sind die beliebten Impulsladegeräte, die häufig zur Stromversorgung von Fernsehgeräten verwendet werden, oder die Netzteile für LCD-Computermonitore.

Was ist eine Diode? Wie funktioniert sie?

Eine Diode ist ein bekanntes elektronisches Bauteil, das für diejenigen, die sich nicht so sehr für Elektronik interessieren, am häufigsten 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 Geräten sind, die wir täglich benutzen. Wie funktioniert eine Diode? Um diese Frage zu beantworten, sollte man zunächst wissen, dass eine Diode ein elektronisches Bauteil mit zwei Elektroden ist – einer Anode und einer Kathode (aus diesem Grund wird sie oft als Zweielektroden- oder Zweipol-Diode bezeichnet). Es handelt sich um ein Bauteil, das Elektrizität asymmetrisch leitet: Die Idee ist, dass der Strom in eine der beiden Richtungen “besser” und in die andere weniger gut fließt.

Diode – Funktionsprinzip

Das Leiten von Strom nur in einer Richtung (in der so genannten Leitungsrichtung) ist in der Regel das Wesentliche am Betrieb einer Diode. Die andere Richtung sollte durch die Diode so weit wie möglich blockiert werden (obwohl es in der Tat einen Nachteil dieser Elemente gibt, nämlich das Phänomen des so genannten Leckstroms – Rückstrom). Eine Schottky-Diode ist also eine Diode, die den Strom in eine Richtung leitet.

Wie die Diode aussieht, sehen Sie auf dem Bild unten.

Schottky-Dioden – Anwendung von Dioden

Aufgrund dieser physikalischen Eigenschaften können Dioden in vielen praktischen Geräten erfolgreich eingesetzt werden, z. B. in Rundfunkempfängern oder Gleichrichtern (Geräte 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 für die Erzeugung des p-n-Übergangs beeinflussen die endgültigen Leistungsmerkmale der Diode. Je nach den physikalischen Eigenschaften der Dioden können sie für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden. LEDs haben beispielsweise elektrolumineszierende Eigenschaften, so dass sie als Lichtquelle verwendet werden können. Zenerdioden zeigen bei einer bestimmten Spannung in umgekehrter Richtung einen plötzlichen Anstieg ihres Sperrstroms – sie werden in Geräten verwendet, die Spannungsstabilisierungsfunktionen übernehmen. Es gibt auch eine ganz besondere Art von Dioden – die so genannte Schottky-Diode.

Schottky-Diode

P-n-Übergang in Dioden

Ein Übergang ist die Verbindung zweier Halbleiter- oder Metallkristalle in der Weise, dass sie einen engen Kontakt zueinander bilden. Ein p-n-Übergang ist eine Art Übergangsschicht zwischen einem Halbleiter vom p-Typ (positiv) und einem Halbleiter vom n-Typ (negativ). Wenn die Konzentration von Löchern größer ist als die von Elektronen (aufgrund des Vorhandenseins eines Akzeptor-Dotierstoffs im p-Bereich), deutet dies auf Lochleitung hin. Eine höhere Elektronenkonzentration deutet auf Elektronenleitung hin, was auf das Vorhandensein einer Donor-Dotierung im n-Typ-Bereich zurückzuführen ist. Je nach Fall können die Mehrheitsträger Elektronen im n-Typ-Bereich oder Löcher im p-Typ-Bereich sein.

Die Einzigartigkeit der Schottky-Diode – m-s-Übergang

Eine Schottky-Diode ist ein Sonderfall unter diesen Elementen – es handelt sich um eine Halbleiterdiode, die einen Metall-Halbleiter-Übergang anstelle eines p-n-Übergangs hat (solche Elemente werden oft mit dem Symbol m-s bezeichnet). Die m-s-Übergänge werden meist in Form einer vorgeformten Halbleiter- und Metallbeschichtung hergestellt. Die Strom-Spannungs-Kennlinien solcher Übergänge werden in lineare (ohmsche) und nichtlineare unterteilt. Bei den m-s-Übergängen mit nichtlinearen Eigenschaften handelt es sich um gleichrichtende Übergänge, wie sie z. B. in Schottky-Dioden verwendet werden. In Leitern mit einem p-n-Übergang entsteht der in Leitungsrichtung fließende Strom durch die Bewegung von Minoritätsträgern, also völlig anders als in einer Schottky-Diode, wo der Strom durch die Bewegung von Majoritätsträgern entsteht. Bei einem n-Typ-Halbleiter werden die in das Metall fließenden Elektronen zu Mehrheitsleitern.

Schottky-Diode im Vergleich zu anderen Diodentypen

Die Schottky-Diode zeichnet sich durch eine sehr geringe Sperrschichtkapazität aus, was zu einer sehr geringen Schaltzeit führt. Diese Eigenschaften legen einen Vergleich mit der Blattdiode nahe, die ähnliche Eigenschaften hat. Allerdings ist die Schottky-Diode wesentlich unzuverlässiger (auch mechanisch – stoßfest), hat eine geringere Streuung der Parameterwerte, einen deutlich geringeren Sperrstrom, einen geringeren Widerstand in Durchlassrichtung, aber eine höhere parasitäre Kapazität. Bei einer Schichtdiode baut sich im p-n-Übergang während des Leitens eine relativ große Ladung auf, was Dioden mit solchen Eigenschaften u. a. von der Eignung für Aufgaben ausschließt, bei denen sie z. B. hohe Frequenzen verarbeiten müssen. Eine Schottky-Diode hat eine sehr geringe Trägheit, eben weil die Ladung, die sich im Metall-Halbleiter-Übergang ansammelt, klein ist – damit ist sie sehr gut für Schaltvorgänge und sehr hohe Frequenzbereiche geeignet. Dies ist eine der wichtigsten Eigenschaften, die Schottky-Dioden u. a. als Bestandteile von Impulsladegeräten (wie sie heute u. a. für die Stromversorgung von Fernsehgeräten 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) nützlich machen.

Zusammenfassung

Eine Schottky-Diode ist eine Halbleiterdiode, die anstelle eines p-n-Übergangs einen m-s- (Metall-Leiter-) Übergang hat. Diese Anordnung verleiht dem Element gleichrichtende Eigenschaften (Strom kann nur in eine Richtung fließen). Die Standardschaltzeit beträgt etwa 100 Pikosekunden – ein so geringer Wert ist auf die sehr geringe Kapazität des Übergangs zurückzuführen (die Diode hat ein sehr geringes Trägheitsmoment). Dies ist eine hervorragende Leistung für Schaltungen, die mit sehr hohen Frequenzen arbeiten.

Warum ist eine Diode so nützlich? Spannungsabfall

Schottky-Dioden zeichnen sich durch eine Reihe von positiven Aspekten aus – dazu gehören sehr niedrige maximale Sperrspannungüberschreitet 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 beträgt etwa 0,3 V.

Eigenschaften einer Schottky-Diode und ihre Verwendung

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 für zahlreiche Anwendungen in der Elektronik – als Bauteil zum Schutz empfindlicher elektronischer Schaltungen und als Gleichrichter für Signale mit sehr hoher Frequenz. In diesen Anwendungen ist sie viel leistungsfähiger als eine herkömmliche Siliziumdiode – sie unterscheidet sich vor allem durch den geringeren Spannungsabfall und die viel höheren Frequenzen, die sie erfolgreich verarbeiten kann. Ihre Betriebseigenschaften haben dazu geführt, dass sie oft als Heißträgerdiode oder Barrierediode 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 Sperrschichtübergang (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, während das Metall in der Regel aus Platin, Wolfram, Molybdän oder Chrom ausgewählt 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.

Widerstandsfähigkeit gegen Durchstiche und Wärmeableitung

Die Vakuumbeschichtung ist eine sehr gute Möglichkeit, die Metallschicht optimal auf das Halbleitersubstrat aufzubringen. Die Anode wird zur Metallseite, während die Kathode der Halbleiter ist. Das Metall dient in erster Linie als Widerstandskontakt für die Anode – es ist lediglich eine dünne Schicht, die auf das Silizium aufgebracht wird. In dieser Anordnung zeigt sich eine Art Nachteil gegenüber den herkömmlichen Siliziumdioden. Elemente mit derart dünnen Drähten werden oft zu “schwachen Zellen” und machen die gesamte Diode viel weniger widerstandsfähig gegen Durchschläge. Darüber hinaus ist anzumerken, dass die Schottky-Diode im Vergleich zu ihrem proportionalen Gegenstück mit p-n-Übergang viel weniger Wärme aus dem Schaltkreis abstrahlt. Der Grund für diese Eigenschaften liegt in der Verwendung eines Metalls, das ständig in direktem Kontakt mit dem Schottky-Übergang steht.

Trägheit und Regenerationszeit

Eine Schottky-Diode ist ein elektronisches Halbleiterbauelement, dessen wichtigstes Unterscheidungsmerkmal zu einer herkömmlichen Sperrschichtdiode darin besteht, dass seine Hauptladungsträger 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 Stromträger fungieren. Die Metallschicht ist elektrisch völlig inert. All diese Merkmale tragen dazu bei, dass eine Schottky-Diode eine viel geringere Trägheit aufweist als herkömmliche Dioden. Der letzte Grund ist, dass es keinen so genannten verarmten Bereich an der Sperrschicht gibt, was sich direkt in einer sehr kurzen Regenerationszeit niederschlägt. Diese wird benötigt, um von einem Zustand, in dem die Diode leitend ist, in einen Zustand überzugehen, in dem die Diode eine Barrierefunktion hat (z. B. zum Schutz des Schaltkreises vor einer falschen Stromversorgung, die die installierten empfindlichen elektronischen Bauteile beschädigen würde, wenn der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt). Der Unterschied zwischen herkömmlichen p-n-Übergangsdioden ist beträchtlich, denn eine so genannte p-n-Diode benötigt im besten Fall mehrere hundert Nanosekunden, es können aber auch mehrere tausend Nanosekunden sein, während eine Schottky-Diode für die Regeneration Zehntel bis maximal einige Zehntel Nanosekunden benötigt.

Wie sieht das Symbol der Schottky-Diode aus? Dioden-Symbole

Die meisten Menschen können das Symbol der Diode leicht erkennen. In elektronischen Schaltplänen ist die Linie, die den Draht symbolisiert, oft als schwarzes gleichschenkliges Dreieck zu sehen, dessen Höhe vom Scheitelpunkt zwischen den gleichen Armen bis zur Basis mit dem Draht zusammenfällt. Das Symbol hat immer noch eine gerade Linie, die sich der Basis des Dreiecks annähert – sie ist auch parallel zu ihr, aber genau an der Spitze des Dreiecks, die auch mit dem Leiter zusammenfällt. 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. Für manche Menschen ist die LED ein gebräuchlicheres Symbol – sie sieht genauso aus wie das oben beschriebene grundlegende LED-Symbol, hat aber zwei Pfeile über dem “oberen Arm”, um die Lichtemission anzuzeigen.

Schottky-Diode – Bezeichnungen

Auch die Schottky-Diode unterscheidet sich nur wenig von der Standard-Diodenbezeichnung. Auf dem Segment, das parallel zur Basis des Dreiecks verläuft und die Spitze des Dreiecks tangiert, befindet sich an dessen Spitze ein zusätzlicher Knick – sehr kurze, miteinander verbundene Segmente (das erste verläuft 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”.

Wer hat die Schottky-Diode erfunden?

Der Erfinder der Schottky-Diode war natürlich 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 verfaßte seine Abschlussarbeit über die besondere Relativitätstheorie. Er studierte bei Professor Max Planck – dem Autor zahlreicher physikalischer Werke, der zu den Begründern der Quantentheorie gehörte und 1918 den Nobelpreis für Physik erhielt. Zusammen mit Erwin Gerlach entwickelte William Schottky ein Gerät, das noch heute in professionellen Tonstudios verwendet wird – das so genannte Bändchenmikrofon. Eine seiner wichtigsten Leistungen war auch die Entdeckung von Löchern im Valenzband eines Halbleiters. Schottky verbesserte auch Elektronenröhren, führte sehr wichtige theoretische Forschungen zum thermischen Rauschen und zum Schrotrauschen in Elektronengeräten durch, schlug die Diffusionstheorie des Stromflusses durch den m-s-Übergang vor und legte den Grundstein für die Schottky-Diode.

Wo kommt die Schottky-Diode zum Einsatz?

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 nützlichen Element für den Einsatz in Wechselrichtern oder Aufwärtswandlern. Durch die niedrige Spannung und die sehr kurze Regenerationszeit ist der Wirkungsgrad des Netzteils wesentlich höher – er kann Werte von bis zu 90 % Effizienz erreichen. Es sei daran erinnert, dass dieser Diodentyp für Stromfrequenzen von höchstens 100 GHz verwendet wird. Schottky-Dioden sind sehr oft eine praktische Alternative zu Germanium-Dioden – vor allem, wenn die Schwellenspannung so niedrig wie möglich sein soll (in diesem Fall etwa 0,4 V). Der niedrige Spannungsabfall macht sie zu einem ausgezeichneten Bauteil für den Anschluss redundanter Stromversorgungen – ideal für Wechselrichter und andere Anwendungen. Während des Betriebs ist es wichtig, auf die in der Schaltung auftretenden Temperaturen zu achten, da sich der Wert des so genannten Rückstroms zwischen 25 und 100 Grad Celsius sogar verdoppeln kann.

Wie lässt sich der Wirkungsgrad einer Schottky-Diode überprüfen?

Es kann vorkommen, dass ein Gerät, das mit solchen elektronischen Bauteilen ausgestattet ist, nicht mehr funktioniert, und es wird vermutet, dass die Schottky-Diode der Fehler ist. Dies könnte zum Beispiel die Stromversorgung eines Monitors oder eines Fernsehers sein. In einem solchen Fall ist es wichtig, zu überprüfen, ob das Bauteil richtig funktioniert. Es ist jedoch nützlich zu wissen, wie man das richtig macht. Der Versuch, eine Barrierediode auf die gleiche Weise zu testen wie eine normale Diode, führt nicht zu den gewünschten Ergebnissen. Der Punkt ist, dass die gleichen Ergebnisse der gleichen Tests für einige Diodentypen disqualifizierend sind, während sie für andere einen korrekten Betrieb bedeuten. Sehr häufig werden in elektronischen Geräten dieser Art (Netzteile für Monitore oder Fernsehgeräte) Bauteile verwendet, in denen mehr als eine Diode untergebracht ist, auch wenn es von außen wie ein einziges Bauteil aussieht. Sehr oft befinden sich zwei Dioden in einem einzigen Gehäuse, wie aus dem Datenblatt hervorgeht, in dem wahrscheinlich auch ein Schaltplan des gesamten Bauteils enthalten ist (das so genannte data sheet). Die erste Tätigkeit 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 zuverlässigen 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.