Metall-Halbleiter-Kontakt und Schottky-Diode
Jedes Halbleiterbauelement braucht Kontakte zur Außenwelt — und die bestehen aus Metall. Was an der Grenzfläche Metall/Halbleiter passiert, hängt von den Arbeitsfunktionen beider Materialien ab. Das Ergebnis ist entweder ein gleichrichtender Kontakt (Schottky-Diode) oder ein ohmscher Kontakt (niederohmiger Durchlass in beide Richtungen).
Walter Schottky (1886--1976) beschrieb als Erster die Physik des Metall-Halbleiter-Kontakts. Die Schottky-Näherung (abrupte Verarmung), die wir beim pn-Übergang verwendet haben, trägt ebenfalls seinen Namen. Mehr zu Schottky →
Arbeitsfunktion (Work Function)
Die Arbeitsfunktion \(\Phi\) (engl. work function) ist die Energie, die nötig ist, um ein Elektron vom Fermi-Niveau ins Vakuum zu heben. Sie ist eine Materialeigenschaft:
| Material | \(\Phi\) (eV) |
|---|---|
| Aluminium (Al) | 4.28 |
| Titan (Ti) | 4.33 |
| Chrom (Cr) | 4.50 |
| Nickel (Ni) | 5.15 |
| Platin (Pt) | 5.65 |
| n-Si (\(10^{16}\) cm\(^{-3}\)) | ~4.26 |
| p-Si (\(10^{16}\) cm\(^{-3}\)) | ~4.99 |
Beim Halbleiter spricht man zusätzlich von der Elektronenaffinität \(\chi\) — die Energie von der Leitungsbandkante \(E_C\) ins Vakuum. Für Si: \(\chi = 4.05\) eV. Die Arbeitsfunktion des Halbleiters hängt von der Dotierung ab (weil \(E_F\) sich verschiebt), die Elektronenaffinität nicht.
Was passiert beim Kontakt?
Wie beim pn-Übergang gleichen sich die Fermi-Niveaus aus. Elektronen fließen von dem Material mit dem höheren \(E_F\) zum anderen, bis ein Gleichgewicht erreicht ist.
Fall 1: \(\Phi_M > \Phi_S\) (Metall auf n-Halbleiter) → Schottky-Kontakt
Wenn die Arbeitsfunktion des Metalls größer ist als die des n-Halbleiters, liegt das Fermi-Niveau im Metall tiefer. Elektronen fließen vom Halbleiter ins Metall — genau wie bei einem pn-Übergang entsteht eine Verarmungszone im Halbleiter (aber nur auf einer Seite — das Metall hat unbegrenzt Elektronen).
Das Ergebnis: Eine Potentialbarriere \(\Phi_B\) an der Grenzfläche, die Schottky-Barriere:
Beispiele für verschiedene Metalle auf n-Si (\(\chi\) = 4.05 eV):
| Metall | \(\Phi_M\) (eV) | \(\Phi_B\) (eV) | Charakter |
|---|---|---|---|
| Ti | 4.33 | 0.28 | Niedrige Barriere → fast ohmsch |
| Al | 4.28 | 0.23 | Sehr niedrig, aber Si diffundiert ins Al (Spiking) → in der Praxis durch Silizide oder Al-Si-Legierung (1% Si) ersetzt |
| Cr | 4.50 | 0.45 | Mittlere Barriere |
| Ni | 5.15 | 1.10 | Hohe Barriere → guter Gleichrichter |
| Pt | 5.65 | 1.60 | Sehr hohe Barriere → Schottky-Diode |
Die eingebaute Spannung (wie \(V_{bi}\) beim pn-Übergang):
Fall 2: \(\Phi_M < \Phi_S\) (Metall auf n-Halbleiter) → Ohmscher Kontakt
Wenn die Arbeitsfunktion des Metalls kleiner ist, fließen Elektronen vom Metall in den Halbleiter. Es entsteht eine Akkumulationszone — mehr Elektronen als im Gleichgewicht. Keine Barriere, kein gleichrichtendes Verhalten. Der Kontakt ist ohmsch (niederohmig in beide Richtungen).
In der Praxis stimmt die einfache Formel \(\Phi_B = \Phi_M - \chi\) oft nicht. Der Grund: Die Halbleiteroberfläche hat Oberflächenzustände — elektronische Zustände in der Bandlücke, die an der Grenzfläche durch abgebrochene Kristallbindungen (Dangling Bonds), Verunreinigungen oder die natürliche Oxidschicht entstehen. Diese Zustände können so viele Ladungsträger aufnehmen, dass sie das Fermi-Niveau an der Oberfläche auf einen festen Wert "festnageln" — unabhängig davon welches Metall aufgebracht wird. Das nennt man Fermi-Level-Pinning.
Bei Silizium wird die Barrierenhöhe dadurch auf ~0.5–0.8 eV für n-Si "gepinnt" — egal ob man Al, Ti oder Pt verwendet. Die schöne Tabelle oben gilt also nur näherungsweise. In der Praxis benutzt man für ohmsche Kontakte deshalb nicht "das richtige Metall", sondern hohe Dotierung: Bei \(N_D > 10^{19}\) cm\(^{-3}\) ist die Verarmungszone so dünn (< 3 nm), dass Elektronen durchtunneln — egal wie hoch die Barriere ist.
Fall 3: Metall auf p-Halbleiter
Für p-Halbleiter ist alles gespiegelt: - \(\Phi_M < \Phi_S\) → Schottky-Kontakt (Barriere für Löcher) - \(\Phi_M > \Phi_S\) → ohmscher Kontakt
Die Schottky-Diode
Ein Schottky-Kontakt verhält sich wie eine Diode — gleichrichtend, mit exponentieller Kennlinie. Aber mit wichtigen Unterschieden zum pn-Übergang:
Strom: Thermionische Emission
Beim pn-Übergang fließt der Strom durch Minoritätsinjektion und Diffusion. Bei der Schottky-Diode gibt es keine Minoritätsträger — der Strom entsteht durch thermionische Emission: Majoritätselektronen im Halbleiter haben genug thermische Energie um über die Barriere ins Metall zu springen.
Die Kennlinie sieht aus wie Shockley, aber mit einem anderen \(I_0\):
\(A^{**}\) ist die effektive Richardson-Konstante (~110 A/(cm²·K²) für n-Si). Der entscheidende Unterschied: \(I_0\) hängt von der Barrierenhöhe \(\Phi_B\) ab, nicht von \(n_i^2\) wie beim pn-Übergang.
Schottky vs. pn-Diode
| Eigenschaft | Schottky-Diode | pn-Diode |
|---|---|---|
| Vorwärtsspannung \(V_f\) | ~0.2--0.4 V | ~0.6--0.7 V |
| Strommechanismus | Thermionische Emission (Majoritätsträger) | Minoritätsinjektion + Diffusion |
| Schaltgeschwindigkeit | Sehr schnell (ns) | Langsamer (µs, wegen Speicherladung) |
| Sperrstrom | Größer (\(I_0\) höher) | Kleiner |
| Temperaturabhängigkeit | Stärker (\(T^2\) in \(I_0\)) | \(n_i^2\) in \(I_0\) |
| Sperrspannung | Typisch < 200 V | Bis > 1000 V |
Warum ist \(V_f\) niedriger?
Die Schottky-Barriere (\(\Phi_B \approx 0.3\)--\(0.8\) eV) ist niedriger als die pn-Barriere (\(V_{bi} \approx 0.7\) V für Si). Außerdem: Keine Minoritätsinjektion bedeutet keine gespeicherte Ladung in den neutralen Zonen. Deshalb schaltet die Schottky-Diode schneller — kein "Reverse Recovery" wie bei der pn-Diode.
Warum ist der Sperrstrom größer?
\(I_0\) bei der Schottky-Diode hängt von \(e^{-\Phi_B/k_B T}\) ab — eine Barriere von 0.5 eV ergibt bei 300 K \(I_0 \sim 10^{-5}\) A/cm². Bei der pn-Diode bestimmt \(n_i^2\) den Sperrstrom, was für Si viel kleiner ist (\(\sim 10^{-12}\) A). Deshalb eignen sich Schottky-Dioden nicht für Anwendungen die extrem niedrigen Sperrstrom brauchen.
Ohmsche Kontakte in der Praxis
Jeder Transistor, jede Diode braucht ohmsche Kontakte — Anschlüsse die keinen zusätzlichen Widerstand und keine Barriere einführen. In der Praxis:
- Hohe Dotierung: Die Kontaktgebiete werden mit \(> 10^{19}\) cm\(^{-3}\) dotiert (\(n^+\) oder \(p^+\)). Die Verarmungszone wird so dünn (< 3 nm), dass Elektronen durchtunneln.
- Silizide: In der CMOS-Fertigung wird kein reines Metall auf Si gebracht, sondern eine Metall-Silizium-Legierung (Silizid) gebildet. Das verbessert die Kontaktqualität und reduziert den Grenzflächenwiderstand. Die Wahl des Silizids hängt vom Technologieknoten ab: TiSi₂ (250 nm+), CoSi₂ (180–90 nm), NiSi (65 nm und kleiner). Diskrete Schottky-Dioden verwenden dagegen oft Metalle wie Cr, Mo oder Pt-Legierungen.
- Spezifischer Kontaktwiderstand: \(\rho_c \lesssim 10^{-7}\) Ω·cm² für moderne CMOS-Kontakte. Bei \(\rho_c > 10^{-6}\) wird der Kontaktwiderstand zum Engpass.
Anwendungen der Schottky-Diode
| Anwendung | Warum Schottky | Typische Dioden |
|---|---|---|
| Gleichrichter (Netzteil) | Niedrige \(V_f\) → weniger Verluste | 1N5819 (40V), SB560 (60V) |
| Verpolschutz | Niedriger Spannungsabfall | BAT54, SS14 |
| Freilaufdiode | Schnelles Schalten, kein Recovery | In H-Brücken, Motortreibern |
| Schottky-Clamped TTL | Verhindert Transistor-Sättigung → schneller | 74S-Serie |
| HF-Detektor/Mixer | Extrem schnell, niedrige Kapazität | BAT15, HSMS-2850 |
Weiterführendes
- pn-Übergang — Vergleichsbasis, ähnliche Physik aber Minoritätsträger
- Tunneleffekt — warum ohmsche Kontakte bei hoher Dotierung funktionieren
- Kontaktspannungen — Kontaktpotentiale in der geschlossenen Schleife
- Dotierung — \(n^+\) Kontaktgebiete
- Beweglichkeit — Richardson-Konstante hängt von \(m^*\) ab
- Motortreiber — Schottky-Dioden als Freilaufdioden
- Persönlichkeiten — Walter Schottky
- Diodenkennlinie messen — Schottky (SB560) vs. Si real gemessen