Schottky-Diode

Grundprinzip und Bedeutung

Eine Schottky-Diode, auch Hot-Carrier-Diode, ist eine Diode für besonders schnelles Schalten oder einen niedrigen Spannungsabfall in Durchlassrichtung. Sie wirkt wie ein Gleichrichter, besitzt aber keinen p-n-Übergang zwischen zwei Halbleitern. Stattdessen nutzt sie einen sperrenden Metall-Halbleiter-Übergang, den Schottky-Kontakt oder wegen seiner Potenzialbarriere auch Schottky-Barriere.

Die Materialkombination, etwa Dotierung des Halbleiters und Austrittsarbeit des Metalls, wird so gewählt, dass im Halbleiter eine Verarmungszone entsteht. Dadurch ist der Kontakt nichtlinear und gleichrichtend. Er unterscheidet sich vom ohmschen Kontakt, der sich zumindest teilweise wie ein linearer Widerstand verhält.

Aufbau und elektrische Funktion

Die übliche Bauform verwendet einen n-dotierten Halbleiter. Vereinfacht gilt: Ist die Austrittsarbeit des Metalls q·φ_m größer als die Elektronenaffinität des Halbleiters q·χ, entsteht an der Grenzfläche eine Potenzialstufe mit φ_B = φ_m − χ. In der Praxis wird die tatsächliche Höhe der Schottky-Barriere vor allem durch die Metall-Halbleiter-Bindung sowie Prozessparameter wie die Oberflächenreinigung bestimmt; sie hängt kaum von der Austrittsarbeit des Metalls ab. Bei n-Si liegt sie meist zwischen 0,5 und 0,9 eV.

Beim Kontakt gleichen sich die Fermi-Energien an; im thermodynamischen Gleichgewicht gilt W_F(x,t) = const. Elektronen fließen von der Halbleiteroberfläche ab und sammeln sich am Metall. Im Halbleiter bleiben positive Störstellen zurück. Dadurch entstehen ein Potenzialwall, eine Bandverbiegung und eine Verarmungszone. Die Elektronen im Halbleiter liegen energetisch höher als die Elektronen im Metall und heißen daher „heiße Ladungsträger“.

Bei positiver Spannung mit negativem Pol am n-Halbleiter wird die Barriere kleiner. Elektronen fließen vom Halbleiter zum Metall: Die Diode leitet in Vorwärtsrichtung. Bei negativer Spannung am Metall wird die Verarmungszone dicker; in Sperrrichtung fließt nur ein kleiner Strom. Dieser entsteht durch thermisch angeregte Elektronen oder durch Tunneln durch die Barriere. Bei zu großer Sperrspannung tritt ein Durchbruch auf.

Am Stromtransport sind keine Minoritätsladungsträger beteiligt. Die Majoritätsladungsträger, hier Elektronen, folgen dem elektrischen Feld sehr schnell. Deshalb ist die Schottky-Diode beim Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand wesentlich schneller als eine p-n-Diode. Silizium-Schottky-Dioden erreichen Schaltfrequenzen von mehr als 10 GHz, Dioden aus GaAs oder InP sogar von mehr als 100 GHz.

Einsatzbereiche und Zielkonflikte

Schottky-Dioden werden eingesetzt, wenn ein niedriger Spannungsabfall in Durchlassrichtung oder schnelles Schalten erforderlich ist. Beide Ziele stehen in Konkurrenz; daher gibt es dafür jeweils optimierte Typgruppen. Typen mit besonders niedrigem Spannungsabfall haben gegenüber Standarddioden in Sperrrichtung einen höheren Leckstrom. Hohe Spannungen sind außerdem schwieriger zu realisieren.

Schnelle Schottky-Dioden eignen sich wegen ihrer kleinen Sättigungskapazitäten für Hochfrequenzanwendungen bis in den Mikrowellenbereich. Typische Anwendungen sind Freilaufdioden zum Abbau von Induktionsspannungen, Gleichrichter in Schaltnetzteilen mit Schaltfrequenzen bis über 1 MHz sowie Demodulatoren in Detektorschaltungen.

Als Halbleitermaterial dient bis 250 V meist Silizium. Für Sperrspannungen von 300 bis 1700 V werden auch Galliumarsenid (GaAs), Siliziumcarbid (SiC) oder SiGe verwendet. Vorteile sind kleine Schaltzeiten und geringe Schwellenspannung. Nachteile sind eingeschränkter Hochtemperaturbetrieb, hoher Leckstrom und ein begrenzter Spannungsbereich. Bei hohen Temperaturen liegt der Leckstrom je nach Chipgröße oft bei mehreren mA. Eine hohe Barrierenhöhe senkt den Leckstrom, erhöht aber die Schwellenspannung. Ein größerer Chip senkt die Schwellenspannung, erhöht jedoch bei sonst gleichen Bedingungen den Leckstrom.

Silizium- und Siliziumcarbid-Dioden

Silizium-Schottky-Dioden haben eine Schwellenspannung von etwa 0,4 V; bei sehr kleinem Betriebsstrom kann der Spannungsabfall unter 0,1 V liegen. Ein Silizium-p-n-Übergang hat zum Vergleich etwa 0,7 V. Eine Silizium-Schottky-Diode kann parallel zur Kollektor-Basis-Strecke eines Silizium-Bipolartransistors geschaltet werden. Dies verhindert dessen Sättigung und beschleunigt das Sperren. Genutzt wurde dies beispielsweise bei schnellen Schaltern in Schaltnetzteilen sowie bei TTL-Logikschaltungen der Reihen 74(A)S und 74(A)LS. Nachteile sind höhere Leckströme als bei Silizium-p-n-Dioden und bei Auslegung auf höhere Sperrspannungen schnell zunehmende Leitungsverluste.

SiC-Schottky-Dioden haben eine Schwellenspannung von etwa 0,8 V und sind bis zu Sperrspannungen von 1,7 kV verfügbar. Sie werden daher besonders in der Leistungselektronik, etwa in Schaltnetzteilen und Umrichtern, verwendet. Sie zeigen fast kein Vorwärts- und besonders kein Rückwärts-Erholverhalten und kommen damit der idealen Diode nahe. Als Kommutierungspartner von IGBT können sie die Schaltverluste in Diode und Transistor erheblich senken, weil der Transistor beim Wiedereinschalten keinen Rückwärts-Erholstrom übernehmen muss. Mit geeigneten Gehäusen sind Sperrschichttemperaturen bis 200 °C möglich, was die Kühlung vereinfacht.

Ohmsche Metall-Halbleiter-Kontakte

Nicht jeder Metall-Halbleiter-Kontakt richtet Strom gleich. Bei sehr starker Dotierung wird die Verarmungszone so dünn, dass die Barriere vernachlässigbar ist. Der Kontakt verhält sich dann wie ein kleiner ohmscher Widerstand. Auch Legierungsbildung, etwa die Bildung von Siliciden an der Grenzfläche, kann einen Schottky-Übergang in einen ohmschen Kontakt umwandeln. Solche Kontakte werden benötigt, um Halbleiterchips mit metallischen Anschlussdrähten zu verbinden.