Was ist eine Schottky-Diode?
Die Schottky-Diode ist nach dem deutschen Physiker Walter Schottky benannt. Sie wird auch als Hot-Carrier-Diode oder Schottky-Barriere bezeichnet. 1938 entwickelte er das Modell des Metall-Halbleiter-Kontaktes. Bei der Schottky-Diode handelt es sich um eine Diode, die keinen p-n-Übergang (Halbleiter-Halbleiter-Übergang) sondern einen Metall-Halbleiter-Übergang besitzt.
Die Grenzfläche zwischen Metall und Halbleiter wird als Schottky-Barriere bezeichnet. Wie eine Diode mit einem p-n-Übergang hat auch die Schottky-Diode eine gleichrichtende Eigenschaft. Unter bestimmten Bedingungen verhält sich ihr Metall- Halbleiter-Übergang jedoch wie ein ohmscher Widerstand. Er wird dann als ohmscher Kontakt bezeichnet.
Bei Schottky-Dioden handelt es sich um „schnelle“ Dioden. Sie sind für Hochfrequenzanwendungen bis in den Mikrowellenbereich geeignet. Ihre Schnelligkeit beruht vor allem auf ihren kleinen Sättigungskapazitäten. Sie werden deshalb häufig als Schutzdioden zum Spannungsabbau von Induktionsspannungen oder als Gleichrichterdioden in Schaltnetzteilen eingesetzt.
Im Gegensatz zum PN-Übergang einer normalen Diode wird eine Schottky-Diode (auch Schottky-Barriere oder Schottky-Kontakt genannt) durch einen Halbleiter-Metall-Übergang gebildet, der ebenfalls gleichrichtende Eigenschaften besitzt. Benannt ist sie nach dem deutschen Physiker Walter Schottky. Die gleichrichtenden Eigenschaften wurden erstmals 1874 von Ferdinand Braun beobachtet. Schottky-Dioden gehören zu den elektronischen Bauelementen. Anfangs bestanden diese Halbleiter-Metallübergänge aus punktförmigen Kontakten. Dazu wurde ein spitzer Metalldraht an einer Halbleiteroberfläche angebracht. Siehe bei Detektorempfänger zum Einsatz von Kristall-Detektoren in ähnlicher Technik. Diese Einheit stellte sich jedoch als sehr unzuverlässig heraus. Deswegen wurde der punktförmige Kontakt schließlich durch einen dünnen Metallfilm ersetzt.
Die Nachteile von Schottky-Dioden sind jedoch höhere Leckströme im Vergleich zu p-n-Dioden, sowie die bei Konstruktionen für höhere Sperrspannung schnell ansteigenden Leistungsverluste.
Anwendung der Schottky-Diode in der Elektronik
Die Anwendungsbereiche der Schottkydiode liegen heute vor allem in den Bereichen der Hochfrequenztechnik und gehen sogar bis in den Bereich der Mikrowellentechnik. Weiterhin ist aber auch jede andere Dioden-Anwendung denkbar. Zum Beispiel der Einsatz als Gleichrichterdiode, Freilaufdiode, Schutzdiode, Schaltdiode oder Demodulator. In TTL-Logikschaltungen (74As, 74 Als) kommen sie auf Grund ihrer niedrigen Flussspannung zum Einsatz. Somit verhindert wird eine Sättigung des Transistors verhindert und ermöglicht schnelleres Schalten bei geringerer Leistungsaufnahme.
Funktion der Schottky-Diode
Bei der Schottky-Diode tragen vor allem die Majoritätsladungsträger zur Funktion bei. Die Elektronen sind in der Lage quasi ungehindert dem Stromfluss zu folgen, dadurch kommt die hohe Geschwindigkeit der Diode zu stande. Die Majoritätsladungsträger (Elektronen) haben eine hohe potentielle Energie. Es entsteht eine positive Raumladungszone, da die positiven Ladungen im Halbleitermaterial ortsgebunden sind.
Beim zusammenfügen der Materialen verschiebt sich die Ladungslinie in Richtung Metall. Es entsteht ein Elektronenmagel im n-dotierten Halbleiter. Dieser Bereich wird auch Verarmungszone genannt. Legt man eine Spannung in Vorwärtsrichtung an (negativer Pol an n-Halbleiter) werden Elektronen in die Verarmungszone gedrängt, die Barriere wird kleiner, bis sie schließlich vollständig abgebaut ist. Legt man eine Spannung in Sperrrichtung an (negativer Pol an p-Metall), wobei die Spannung unter der Durchbruchspannung liegen muss, so wird die Sperrschicht größer. Dennoch fließt ein kleiner Strom, der sich durch die thermische Anregung der Elektronen erklären lässt.
Die besondere Funktionsweise der Schottky-Diode lässt über den Effekt der Schottky-Barriere erklären. Man nimmt an, dass die Barriere am pn-Übergang durch die höhere Austrittsarbeit des Metalls im Vergleich zum Halbleitermaterial entsteht. Führt man die beiden Materialien zusammen, erhöht sich das Potential, durch die Verschiebung einiger Elektronen in die p-Schicht. Die Schottky-Barriere entsteht. Tatsächlich ergibt sich die Schottky-Barriere aber durch starke molekulare Veränderung der Oberflächen an der Kontaktstelle zwischen Metall und Halbleiter. Weiterhin spielt die Verarbeitung, vor allem in Hinblick auf die Reinigung der Oberflächen eine große Rolle.