Ratgeber
Dioden gehören zu den ältesten elektronischen Bauelementen überhaupt. Ihr Prinzip als Gleichrichter für Wechselspannungen wurde bereits 1874 vom deutschen Physiker Ferdinand Braun entdeckt. Ab der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts eroberten Dioden aus zwei Halbleiterelementen die Welt. 1938 entwickelte der deutsche Physiker Walter Schottky eine alternative Diode, indem er einen der beiden Halbleiter durch Metall ersetzte. Der nach ihm benannte Schottky-Effekt revolutionierte große Bereiche der industriellen Elektronik.
Erfahren Sie hier, wie Schottky-Dioden funktionieren, in welchen Bereichen sie besser funktionieren als reine Halbleiter-Dioden und welche Kriterien für die Beschaffung wichtig sind.
Schottky-Dioden besitzen zwei herausragende Eigenschaften: Einen geringen Durchlassspannungsabfall und ein sehr schnelles Schaltvermögen. Ihr elektrisches Verhalten entspricht aber weiterhin dem einer klassischen Halbleiter-Diode: Wenn eine ausreichende Spannung angelegt wird, fließt ein Strom in Durchlassrichtung.
Die in Schottky-Dioden überwiegend eingesetzte Metalle sind Molybdän, Platin, Chrom oder Wolfram sowie bestimmte Silizide, während der Halbleiter typischerweise aus Silizium besteht. Die Metallseite fungiert als Anode und der negative Halbleiter als Kathode. Strom kann somit von der Metallseite zur Halbleiterseite fließen, aber nicht in die entgegengesetzte Richtung.
Eine Silizium-Diode mit p-n-Übergang benötigt eine typische Vorwärtsspannung von 600 bis 700 Millivolt, während die Vorwärtsspannung einer Schottky-Diode bei lediglich 150 bis 450 Millivolt liegt. Der wichtigste Unterschied zwischen der p-n-Diode und der Schottky-Diode ist allerdings die Sperrzeit, wenn die Diode vom leitenden in den nichtleitenden Zustand wechselt.
Bei einer p-n-Diode kann die Rückerholungszeit in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden bis zu weniger als 100 Nanosekunden für schnelle Dioden liegen. Schottky-Effekt-Dioden sind hier wesentlich schneller, da sie unipolare Bauelemente sind und ihre Geschwindigkeit nur durch die Sperrschichtkapazität begrenzt ist. Die Schaltzeit beträgt nur rund 100 Pikosekunden für die Kleinsignaldioden und bis zu zehn Nanosekunden für spezielle Leistungsdioden mit hoher Kapazität. Bei Schottky-Effekt-Dioden erfolgt das Schalten im Wesentlichen "augenblicklich" mit nur einer geringen kapazitiven Belastung.
Der Hauptanwendungsbereich von Schottky-Dioden ist die Gleichrichtungsfunktion in Schaltnetzteilen mit Frequenzen über 20 Kilohertz. So kann eine 50-Ampere-Schottky-Diode bei Raumtemperatur mit einer Durchlassspannung von 0,6 Volt und einer Erholungszeit von lediglich 10 Nanosekunden aufwarten. Eine gewöhnliche Halbleiterdiode benötigt dagegen eine Erholungszeit von 30 bis 50 Nanosekunden.
Aufgrund des geringen Durchlassspannungsabfalls wird weniger Energie in Form von Wärme verschwendet. Schottky-Bauelemente finden sich deshalb häufig in Photovoltaik-Systemen. Hier verhindern sie außerdem als sogenannte Sperrdioden, dass sich die Batterien während der Nacht über die Solarmodule entladen. In netzgekoppelten Systemen mit mehreren parallel geschalteten Modulen blockieren sie den Rückstrom benachbarter beschatteter Module, wenn die Bypass-Halbleiterdioden ausgefallen sind.
Schottky-Gleichrichter können auch als Leistungsdetektoren sowohl für gepulste als auch für Terahertz-Strahlung arbeiten. Anwendungen wie die Terahertz-Bildgebung profitieren sowohl von der Geschwindigkeit als auch von der Empfindlichkeit der Schottky-Bauelemente. Eine spezielle Version mit hoher Bandbreite bietet sich für die Untersuchung ultraschneller Prozesse an – dank der Fähigkeit, die Amplituden einzelner Terahertz-Pulse aufzulösen, selbst bei typischen Wiederholraten von Femtosekundenlasern.
Im Vergleich zu Leistungs-p-n-Halbleiterdioden sind Schottky-Typen allerdings weniger robust. Grund: Der Übergang steht in direktem Kontakt mit der thermisch empfindlichen Metallisierung, eine Schottky-Typ kann daher weniger Leistung abführen als ein gleich großes p-n-Pendant, bevor sie ausfällt. Der relative Vorteil der niedrigeren Durchlassspannung verringert sich außerdem bei höheren Durchlassströmen, bei denen der Spannungsabfall durch den Serienwiderstand dominiert wird.
Wesentliche Kriterien für die Auswahl einer Schottky-Diode sind die Durchlassspannung, der Durchlassstrom sowie die Sperrspannung und der Sperrstrom. Die jeweiligen Werte müssen so exakt wie möglich dem Schaltungsdesign entsprechen.
Zu bedenken ist dabei die relativ niedrige Sperrspannung und der hohe Sperrleckstrom. Bei Silizium-Metall-Schottky-Dioden liegt die Sperrspannung typischerweise bei 50 Volt oder weniger. Es sind einige Ausführungen mit höherer Spannung erhältlich, wobei 200 Volt als hohe Sperrspannung gilt. Da der Leckstrom in Sperrrichtung mit der Temperatur ansteigt, führt dies zu einem Problem der thermischen Instabilität. Dadurch wird die nutzbare Sperrspannung oft auf einen Wert deutlich unterhalb der eigentlichen Nennspannung begrenzt.
Höhere Sperrspannungen sind zwar realisierbar, würden aber eine höhere Durchlassspannung aufweisen, vergleichbar mit anderen Typen von Standarddioden. Solche Schottky-Typen hätten keinen Vorteil, es sei denn, es wird eine hohe Schaltgeschwindigkeit benötigt.
Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Gehäuseform. Am weitesten verbreitet ist das DO-Format, ein zylinderförmiges Gehäuse mit axialer Verdrahtung. Diese Form entspricht optisch einer normalen Halbleiter-Diode, die Lage der Kathode ist durch einen Ring gekennzeichnet. Gleichrichter für höhere Leistungen sind in der Regel radial verdrahtet und besitzen ein TO-Gehäuse mit Wärmeableiter. Über das Loch an diesem Ableiter lässt sich das Bauelement am Gerätegehäuse befestigen oder mit einem Kühlkörper verbinden.
Neben Ausführungen mit zwei Anschlussdrähten beziehungsweise SMD-Lötkontakten sind auch Arrays mit drei Anschlüssen im Angebot. Sie enthalten zwei Diodenelemente mit getrennten Anoden-Anschlüssen und einem gemeinsamen Anschluss für die Kathode.
FAQ – häufig gestellte Fragen
Was genau ist unter einer Sperrschicht zu verstehen?
In der Halbleiterphysik ist die Sperrschicht ein isolierender Bereich innerhalb eines leitfähigen, dotierten Halbleitermaterials. Beweglichen Ladungsträger sind wegdiffundiert oder durch ein elektrisches Feld weggedrängt. In der Sperrschicht verbleiben nur noch ionisierte Verunreinigungen.
Die Sperrschicht wird so genannt, weil sie aus einem leitenden Bereich durch die Entfernung aller freien Ladungsträger gebildet wird, so dass keine mehr übrig bleiben, um einen Strom zu führen. Das Verständnis der Sperrschicht ist der Schlüssel zur Erklärung der modernen Halbleiterelektronik: Gleichrichter, Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren und Gleichrichter mit variabler Kapazität basieren alle auf Sperrschichtphänomenen.
Welche Vorteile bringen Schottky-Dioden mit Siliziumkarbid?
Siliziumkarbid besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit, die Temperatur hat wenig Einfluss auf seine Schalt- und thermischen Eigenschaften. In einer speziellen Konstruktion können Siliziumkarbid-Schottky-Dioden bei Sperrschichttemperaturen von über 200 Grad Celsius arbeiten, das ermöglicht eine passive Strahlungskühlung beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt.