Die Schottky-Diode

Bauteil-Artikel aus der Bauteile-Bibliothek. Die Physik dahinter steht im Metall-Halbleiter-Kontakt.

Eine gewöhnliche Siliziumdiode braucht etwa 0,7 V, bevor sie leitet. Eine Schottky-Diode kommt mit 0,2 bis 0,4 V aus und schaltet dabei auch noch erheblich schneller. Beides hat denselben Grund -- und beides wird mit demselben Nachteil bezahlt.

Der Unterschied im Aufbau

Eine normale Diode ist ein pn-Übergang: p-dotiertes Silizium trifft auf n-dotiertes. Eine Schottky-Diode dagegen ist ein Metall-Halbleiter-Kontakt -- typischerweise ein Metall wie Molybdän oder Platinsilizid direkt auf n-Silizium.

Daraus folgt der eigentliche Unterschied, und er ist wichtiger als die Flussspannung:

Die Schottky-Diode ist ein Majoritätsträger-Bauelement. Beim pn-Übergang werden im Durchlassbetrieb Ladungsträger in das jeweils andere Gebiet injiziert, wo sie Minoritäten sind und sich ansammeln. Beim Metall-Halbleiter-Kontakt gibt es nichts dergleichen -- es fließen nur Elektronen aus dem n-Silizium ins Metall.

Diese eine Tatsache erklärt praktisch alles Weitere.

Die Kennlinie -- selbst gemessen

Aus unserer Messreihe mit der R&S-NGU411, direkt gegen eine Silizium-Gleichrichterdiode gestellt:

Durchlassbereich, eigene Messung. Die Schottky-Kurve liegt über den ganzen Bereich um etwa ein halbes Volt links.

Rund ein halbes Volt weniger, über den gesamten Bereich. Bei 5 A Dauerstrom sind das etwa 2,5 W weniger Verlustleistung -- der Grund, warum in jedem Schaltnetzteil Schottky-Dioden sitzen.

Wichtig für die Praxis: Es gibt keine feste Schwellspannung. Die oft zitierten „0,3 V" gelten für einen bestimmten Strom. Wer bei 5 A arbeitet, sieht eher 0,6 bis 0,7 V, und der Vorteil gegenüber Silizium schrumpft. Die Datenblattangabe gilt immer bei einem genannten Prüfstrom -- ohne diesen ist sie wertlos.

Warum die Flussspannung niedriger ist

Beim pn-Übergang muss die eingebaute Spannung überwunden werden, die aus der Dotierung beider Seiten folgt. Am Metall-Halbleiter-Kontakt bestimmt stattdessen die Schottky-Barrierenhöhe \(\Phi_B\) die Schwelle -- und die ist mit typisch 0,6 bis 0,8 eV kleiner als das, was ein pn-Übergang aufbaut. Zudem läuft der Strom über thermionische Emission statt über Diffusion, was bei gleicher Spannung mehr Strom ergibt.

Die zugehörige Rechnung steht in der Herleitung des Schottky-Diodenstroms; das Ergebnis ist die Richardson-Gleichung

Bemerkenswert daran: Dieselbe \(e^{qV/k_BT}-1\)-Charakteristik wie beim pn-Übergang, aber aus einem völlig anderen Mechanismus.

Der Preis: Sperrstrom

Sperrbereich, eigene Messung bei −10 V. Logarithmische Achse.

Der 250-fache Wert -- und das ist kein Fertigungsmangel, sondern dieselbe Physik von der anderen Seite. Die niedrige Barriere, die vorne die Flussspannung senkt, lässt hinten mehr durch. Man kann das eine nicht ohne das andere haben.

Gefährlich wird das erst mit der Temperatur. Der Sperrstrom steigt exponentiell, und die dabei entstehende Verlustleistung heizt das Bauteil weiter auf. Bei hoher Sperrspannung und heißer Umgebung kann daraus ein thermisches Weglaufen werden: mehr Strom, mehr Wärme, mehr Strom. Das ist der Ausfallmechanismus, an den man bei Schottky-Dioden zuerst denken sollte.

Der zweite Vorteil: keine Sperrverzögerung

Weil keine Minoritätsträger injiziert werden, gibt es beim Umschalten auch keine gespeicherte Ladung, die erst ausgeräumt werden muss. Eine Silizium-Diode leitet nach dem Umpolen noch kurz weiter -- die Sperrverzögerungszeit \(t_{rr}\) --, und in einem Schaltregler bedeutet das jedes Mal einen Kurzschlussimpuls durch den Transistor.

Die Schottky-Diode hat praktisch kein \(t_{rr}\). Was bleibt, ist nur das Umladen ihrer Sperrschichtkapazität.

In schnellen Schaltanwendungen ist das oft wichtiger als die Flussspannung. Bei 100 kHz Schaltfrequenz kosten die Sperrverzögerungsverluste einer Silizium-Diode mehr als ihr Durchlassvorteil je einbringen könnte.

Wohin sie gehört -- und wohin nicht

Der klassische Einsatz in der Digitaltechnik ist übrigens die Schottky-geklemmte TTL-Logik: Eine Schottky-Diode parallel zur Basis-Kollektor-Strecke verhindert, dass der Transistor in die Sättigung geht, und macht das Gatter dadurch schneller. Daher das S in den 74LS- und 74S-Familien.

Die Grenze: Sperrspannung

Silizium-Schottky-Dioden gibt es kaum über 100 bis 200 V. Der Grund liegt in der Physik des Kontakts: Um höhere Sperrspannungen aufzunehmen, braucht man eine schwächer dotierte, dickere Driftzone -- die aber den Durchlasswiderstand hochtreibt und damit genau den Vorteil auffrisst, wegen dem man die Diode gewählt hat.

Deshalb kommen oberhalb davon Siliziumkarbid-Schottkydioden zum Einsatz. SiC hat eine rund zehnmal höhere Durchbruchfeldstärke, weshalb dort 600 V und mehr möglich sind, ohne dass die Driftzone unbrauchbar wird -- der Standardgleichrichter in modernen PFC-Stufen.

Auswahl in der Praxis

Drei Zahlen entscheiden, und sie ziehen gegeneinander:

1. Sperrspannung \(U_R\) -- mit Reserve wählen, Überschwinger im Schaltbetrieb sind real
2. Flussspannung \(U_F\) beim tatsächlichen Betriebsstrom -- nicht die Katalogzahl bei 1 mA
3. Sperrstrom \(I_R\) bei Betriebstemperatur -- nicht bei 25 °C

Zwischen 2 und 3 muss man sich entscheiden: Eine niedrigere Barriere verbessert das eine und verschlechtert das andere. Hersteller bieten deshalb dieselbe Spannungsklasse in mehreren Varianten an, von „low \(V_F\)" bis „low \(I_R\)".

Weiterführendes

• SB560 -- konkreter Steckbrief mit allen Messwerten
• 1N4004 -- die Silizium-Vergleichsdiode aus derselben Messreihe
• Metall-Halbleiter-Kontakt -- die Physik: Bänderdiagramm, Barrierenhöhe, ohmscher Kontakt
• Herleitung: Schottky-Diodenstrom -- von der Geschwindigkeitsverteilung zur Richardson-Gleichung
• Diodenkennlinien messen -- wie die Kurven oben entstanden sind
• Die 74er-Familie -- wo das S in 74LS herkommt