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2026-03-09T11:54:43Z

Schottky-Dioden in der Elektronik, Formulierung, siehe Disk, Mehrfach-Wikilinks reduziert.

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[[Datei:Schottky.jpg|mini|Handelsübliche Schottky-Dioden in unterschiedlichen Gehäusen]]
[[Datei: HP 5082-2800.jpg|mini| HP 5082-2800 Schottky-Dioden]]
Eine '''Schottky-Diode''', auch ''Hot-Carrier-Diode'' genannt, ist in der [[Elektronik]] eine auf schnelles Schalten oder einen niedrigeren [[Spannungsabfall]] in Durchlassrichtung optimierte [[Diode]]. Sie hat keinen [[p-n-Übergang]] ([[Halbleiter]]-Halbleiter-Übergang), sondern einen (sperrenden) [[Metall-Halbleiter-Übergang]]. Diese Grenzfläche zwischen Metall und Halbleiter bezeichnet man als '''Schottky-Kontakt''' bzw. in Anlehnung an die auftretende [[Potentialbarriere]] als '''Schottky-Barriere'''. Wie der p-n-Übergang, ist auch die Schottky-Diode ein [[Gleichrichter]]. Bei Schottky-Dioden ist die Materialkomposition (z. B. [[Dotierung]] des Halbleiters und [[Austrittsarbeit]] des Metalls) so gewählt, dass sich in der Grenzfläche im Halbleiter eine [[Verarmungszone]] ausbildet. Damit unterscheidet sich der nichtlineare Schottky-Kontakt von Metall-Halbleiter-Übergängen unter anderen Bedingungen, wie beispielsweise dem [[Ohmscher Kontakt|ohmschen Kontakt]], der das Verhalten eines teilweise linearen [[Ohmscher Widerstand|ohmschen Widerstands]] zeigt.

== Geschichte ==
Benannt ist die Schottky-Diode nach dem deutschen Physiker [[Walter Schottky]], der 1938 das Modell des Metall-Halbleiter-Kontaktes entwickelte. Die gleichrichtenden Eigenschaften wurden erstmals 1874 von [[Ferdinand Braun]] beobachtet. Anfangs bestanden die Metall-Halbleiter-Übergänge aus punktförmigen Kontakten, die mit einem angespitzten Metalldraht auf einer Halbleiteroberfläche realisiert wurden ([[Spitzendiode]]). Eingesetzt wurden sie Mitte des 20. Jahrhunderts vor allem in den damals üblichen [[Detektorempfänger]]n. Die ersten Schottky-Dioden, damals als ''[[Kristall-Detektor]]en'' bezeichnet, stellten sich jedoch als sehr unzuverlässig heraus. Der punktförmige Kontakt wurde deshalb durch einen dünnen Metallfilm ersetzt, was auch bei den heute üblichen Schottky-Dioden noch der Fall ist.

== Schottky-Dioden in der Elektronik ==
[[Datei:AusfuerungsformenSchottkyDiode-de.svg|mini|Ausführungsformen von Schottky-Dioden 1. MESH-Diode, 2. Passivated-Diode, 3. Offset-junction-Diode, 4. Hybrid-Diode]]
[[Datei:Diode-Schottky-EN A-K.svg|mini|Schaltzeichen nach DIN EN 60617-5:1996 (05-02-01)]]

Schottky-Dioden finden zumeist dann Anwendung, wenn niedriger Spannungsabfall in Durchlassrichtung oder schnelles Schalten gefordert ist. Diese beiden Eigenschaften konkurrieren miteinander, so dass es zwei für den jeweiligen Zweck optimierte Typgruppen gibt. Die Gruppe mit dem niedrigen Spannungsabfall weist, verglichen mit Standarddioden, in Sperrrichtung einen höheren Leckstrom auf. Zudem sind hohe Spannungen schlechter realisierbar.

Als „schnelle“ Dioden sind Schottky-Dioden für Hochfrequenzanwendungen bis in den [[Mikrowellen]]bereich geeignet, was vor allem auf ihre kleinen Sättigungskapazitäten zurückzuführen ist. Deshalb werden sie auch oft als [[Schutzdiode]]n zum Spannungsabbau von [[Elektromagnetische Induktion|Induktionsspannungen]] ([[Freilaufdiode]]) oder als Gleichrichterdioden in [[Schaltnetzteil]]en eingesetzt und ermöglichen dort [[Schaltfrequenz]]en bis über 1 MHz. Auch für [[Detektorempfänger|Detektorschaltungen]] sind sie als [[Demodulator]] gut geeignet.

Als Halbleitermaterial wird für Spannungen bis 250 V meist [[Silicium|Silizium]], für Sperrspannungen von 300 bis 1700 V auch [[Galliumarsenid]] (GaAs)<ref>{{Internetquelle |autor=A. Lindemann, St. Knigge |url= https://www.ixys.com/Documents/AppNotes/IXAN0041.pdf |titel=Electrical Behaviour of a New Gallium Arsenide Power Schottky Diode |hrsg=[[IXYS]] |datum=1999-07-26 |format=PDF; 213 kB |sprache=en |zugriff=2013-12-13}}</ref>, [[Siliciumcarbid|Siliziumcarbid]] (SiC)<ref>[http://www.infineon.com/cms/en/product/discretes-and-standard-products/diodes/silicon-carbide-schottky-diodes/650v-thinq!-tm-sic-diodes-generation-5/channel.html?channel=db3a3043399628450139b0536bed2187 SiC-Schottky-Dioden der Fa. Infineon]</ref><ref name="SiC" /> oder [[Siliciumgermanium|SiGe]] verwendet.

Die Hauptvorteile von Schottky-Bauelementen sind kleine Schaltzeiten und eine geringe [[Schwellenspannung]].

Auf der anderen Seite sind Schottky-Bauelemente auch für ihren eingeschränkten Hochtemperaturbetrieb, hohen [[Leckstrom]] und begrenzten Spannungsbereich bekannt. Diese Eigenschaften sind aber messbar und kontrollierbar. Ein hoher Leckstrom, der bei Standard-[[Gleichrichter|Gleichrichtern]] auftritt, deutet in der Regel auf mangelnde Zuverlässigkeit hin. Bei Schottky-Bauelementen liegt der Leckstrom bei hohen Temperaturen je nach Chipgröße oft im Bereich von mehreren [[Milliampere|mA]]. Bei Schottky-Gleichrichtern werden Leckstrom und Abfall der Schwellenspannung bei hohen [[Temperatur|Temperaturen]] durch die Größe der aktiven Chipfläche und die Barrierenhöhe bestimmt. Das Design einer Schottky-Diode kann als Kompromiss betrachtet werden. Ein Bauelement mit hoher Barrierenhöhe weist bei hohen Temperaturen einen geringen Leckstrom auf, jedoch steigt die Schwellenspannung. Diese Parameter werden auch durch die Chipgröße und den [[Spezifischer Widerstand|spezifischen Widerstand]] des Ausgangsmaterials bestimmt. Ein größerer Chip senkt die Schwellenspannung, erhöht aber den Leckstrom, sofern alle anderen Parameter konstant gehalten werden. Der spezifische Widerstand des Ausgangsmaterials muss so gewählt werden, dass die [[Durchschlagspannung|Durchschlagsspannung]] sowohl am unteren als auch am oberen Ende des Widerstandsbereichs nicht abnimmt.<ref>Jon Schleisner, Vishay Intertechnology, Inc.: [https://www.vishay.com/docs/88840/andesignguide.pdf ''Design Guidelines for Schottky Rectifiers'']</ref>

=== Silizium-Schottky-Dioden ===
Silizium-Schottky-Dioden haben eine kleinere Schwellenspannung von ca. 0,4 V. Bei sehr kleinem Betriebsstrom kann der Spannungsabfall sogar bis unter 0,1 V sinken. Das ist deutlich weniger als bei einem Silizium-p-n-Übergang mit ca. 0,7 V. Sie können daher parallel zur Kollektor-Basis-Strecke eines Silizium-[[Bipolartransistor]]s geschaltet werden, um eine Sättigung des Transistors zu verhindern und somit ein wesentlich schnelleres Schalten des Transistors in den Sperrzustand zu ermöglichen. Dies wurde vor allem vor der Verbreitung von leistungsfähigen [[MOSFET]]s bei schnellen Schaltern wie z. B. in Schaltnetzteilen genutzt, aber auch zur Realisierung von schnelleren [[Transistor-Transistor-Logik|TTL]]-Logikschaltungen ([[Digitaltechnik]]), z. B. in den Reihen [[Logikfamilie|74(A)S]] und 74(A)LS.

Der inhärente Nachteil der Silizium-Schottky-Diode sind die höheren [[Leckstrom|Leckströme]] im Vergleich zu der auf Silizium basierenden p-n-Diode sowie die bei Konstruktion für höhere Sperrspannung schnell ansteigenden Leitungsverluste.

=== Siliziumcarbid-Schottky-Dioden ===
Schottky-Dioden auf Basis von Siliziumcarbid (SiC) weisen eine Schwellenspannung von ca. 0,8 V auf, bieten aber in der Leistungselektronik gegenüber den konventionellen Siliziumdioden eine Reihe von Vorteilen. SiC-Schottky-Dioden sind bis zu Sperrspannungen von 1,7 kV verfügbar, womit sie insbesondere im Bereich der [[Leistungselektronik]], z. B. in [[Schaltnetzteil]]en und [[Umrichter]]n, eingesetzt werden. Da sie fast kein Vorwärts- und vor allem kein Rückwärts-Erholverhalten aufweisen, kommen sie der idealen Diode sehr nahe. Beim Einsatz als [[Kommutierung]]spartner für [[Insulated Gate Bipolar Transistor|Insulated Gate Bipolar-Transistor]]en (IGBT) sind eine erhebliche Reduktion der [[Schaltverluste]] sowohl in der Diode selbst wie auch im Transistor möglich, da dieser beim Wiedereinschalten keinen Rückwärts-Erholstrom zu übernehmen braucht. Die erlaubten Sperrschichttemperaturen liegen bei entsprechenden Gehäusen mit bis zu 200 °C deutlich höher als bei Silizium-Schottky-Dioden, was die Kühlung bei SiC-Dioden vereinfacht.<ref name="SiC" />

== Funktion ==
[[Datei:Baenderdiagramm metal-n-type.png|hochkant=2|mini|Bänderdiagramme (n-Typ) Metall-Halbleiter-Übergang. Links beide einzelnen Materialien und rechts Gleichgewichtssituation nach Kontaktierung]]

Es wird nun die Funktion einer Schottky-Diode mit n-dotiertem Halbleitermaterial (die übliche Bauform) anhand des [[Bänderdiagramm|Bändermodells]] behandelt, indem die potenzielle Energie der [[Elektron|Elektronen]] als Funktion des Ortes aufgetragen wird.
In einer vereinfachten Betrachtungsweise wird oft angenommen, dass ein Metall (im Bild links) und ein Halbleiter (rechts davon) zusammengefügt werden, ohne dass sich die Elektronenstruktur durch die Metall-Halbleiter-Bindung im Festkörper von Metall und Halbleiter ändert. Geht man davon aus, dass die [[Austrittsarbeit]] des Metalls <math>q \cdot \varphi_m</math> größer als die [[Elektronenaffinität]] des Halbleiters <math>q \cdot \chi</math> ist – was bei den meisten Metall-Halbleiter-Kombinationen, die für Schottky-Dioden verwendet werden, erfüllt ist – so entsteht an der Grenzfläche zwischen der [[Fermi-Energie|Fermi-Kante]] <math>W_\text{F}</math> des Metalls und der [[Leitungsband]]-Unterkante des Halbleiters eine Potenzialstufe der Höhe <math>\varphi_\text{B}=\varphi_\text{m}-\chi</math>.

Allerdings werden in Wirklichkeit die Oberflächen von Metall und Halbleiter durch die Bindung stark verändert und die tatsächliche Höhe der Potenzialstufe oder ''Schottky-Barriere'' <math>\varphi_\text{B}</math> ist vor allem durch die Metall-Halbleiter-Bindung, aber auch durch Prozessparameter wie die Reinigung der Oberfläche bestimmt und kaum von der Austrittsarbeit des Metalls abhängig.
Für n-Si liegt die Schottky-Barriere meist zwischen 0,5 und 0,9 eV.

Die [[Fermi-Verteilung|Fermi-Energie]] <math>W_\text{F}</math> des ungestörten (n-dotierten) Halbleiters liegt (außer bei entarteten Halbleitern) knapp unterhalb des Leitungsbands. Beim Kontakt Metall / Halbleiter kommt es zum Ladungsausgleich, die Fermi-Energien der beiden Partner gleichen sich an, es gibt danach nur eine gemeinsame Fermi-Energie ''W''<sub>F</sub>(x,t) = const im thermodynamischen Gleichgewicht.
Durch die unterschiedlichen Austrittsarbeiten der beiden Partner kommt es zu Ladungsinfluenz an den beiden Oberflächen. An der Metalloberfläche sammeln sich Elektronen, die aus der Halbleiteroberfläche abfließen und somit positive Störstellen im Halbleiter erzeugen. Es entsteht ein Potenzialwall und ein „Verbiegen“ der Bänder des Halbleiters. Über die Bandverbiegung können die Elektronen den Halbleiter verlassen, es entsteht eine sogenannte [[Verarmungszone]] (engl. {{lang|en|''depletion zone''}}), in der die potenzielle Energie der Elektronen im Leitungsband ([[Majoritätsladungsträger]]) hoch ist.

Die Elektronen im Halbleiter haben, wie dargelegt, einen höheren Energiezustand als die Elektronen im Metall. Sie werden daher auch „heiße Ladungsträger“ genannt. Daraus abgeleitet rührt die Bezeichnung „Hot-Carrier-Diode“ (deutsch: ''heiße Ladungsträger-Diode'') her.

Wird nun eine positive Spannung angelegt (negativer Pol am n-Typ-Halbleiter), werden Elektronen aus dem Halbleitermaterial in die Verarmungszone gedrängt und die Potentialbarriere wird kleiner. Elektronen können dann vom Halbleiter in das Metall fließen („Vorwärtsrichtung“, engl. {{lang|en|''forward bias''}}).
Legt man dagegen eine negative Spannung am Metall an (die nicht zu groß ist), werden die Elektronen noch stärker in Richtung des Halbleiters gezogen, die Dicke der Verarmungszone steigt („Sperrrichtung“, engl. {{lang|en|''reverse bias''}}).
Es kommt nur zu einem sehr kleinen Strom, weil einige wenige Elektronen des Metalls die Barriere durch thermische Anregung überwinden oder durch die Barriere „tunneln“ können (quantenmechanischer [[Tunneleffekt]]).
Bei einer zu großen Spannung in Sperrrichtung kommt es jedoch zum Durchbruch.

Im Schottky-Übergang tragen die [[Minoritätsladungsträger|Minoritäts-Ladungsträger]] nicht zum Ladungstransport bei. Da die Elektronen (Majoritätsladungsträger) sehr schnell dem elektrischen Feld folgen, ist die Schottky-Diode vor allem beim Übergang vom Vorwärts- in den Sperrbetrieb wesentlich schneller als normale [[Halbleiterdiode]]n, die auf einem [[p-n-Übergang]] basieren. Mit Schottky-Dioden aus Silizium sind Schaltfrequenzen von mehr als 10 [[Hertz (Einheit)|GHz]], aus GaAs bzw. aus InP sogar von mehr als 100 GHz möglich.

== Ohmscher Kontakt ==
{{Hauptartikel|ohmscher Kontakt}}
Nicht jeder Metall-Halbleiter-Kontakt hat eine gleichrichtende Wirkung. Da die Dicke der Verarmungszone umgekehrt proportional zur Wurzel der Ladungsträgerdichte des Donators ist, wird bei sehr starker Dotierung des Halbleiters die Barriere so schmal, dass sie vernachlässigt werden kann und sich der Kontakt wie ein kleiner [[ohmscher Widerstand]] verhält. Weiterhin kann der Schottky-Übergang durch Legierungsbildung (Bildung von [[Silicid]]en an der Grenze) zu einem ohmschen Kontakt werden. Ohmsche Kontakte werden benötigt, um überhaupt [[Die (Halbleitertechnik)|Halbleiterchips]] mit metallischen Anschlussdrähten kontaktieren zu können.

== Quellen ==
* {{Literatur|Autor=[[Ludwig Bergmann (Physiker)|Ludwig Bergmann]], [[Clemens Schaefer (Physiker)|Clemens Schaefer]], [[Wilhelm Raith]]|Titel=Lehrbuch der Experimentalphysik|Band=Band 6 |TitelErg=Festkörper |Verlag=de Gruyter |ISBN=3-11-012605-2|Jahr=1992}}

== Siehe auch ==
* [[Liste der Schaltzeichen (Elektrik/Elektronik)]]
* [[Schottky-Effekt]]

== Literatur ==
* {{Literatur|Autor=[[Harald Ibach]], [[Hans Lüth]]|Titel=Festkörperphysik|Auflage=7. |Verlag=Springer |ISBN=978-3-540-85794-5|Jahr=2009}}
* {{Literatur|Autor=[[Stefan Goßner]]|Titel=Grundlagen der Elektronik|Auflage=11. |Verlag=Shaker|ISBN=978-3-8440-6784-2|Jahr=2019}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Schottky diodes}}

== Einzelnachweise ==
<references responsive>
<ref name="SiC">{{Toter Link |url=http://powerelectronics.com/images/SchottkyDiodes.pdf |datum=2024-01 |text=Power Electronics Technology }} Schottky Diodes: the Old Ones Are Good, the New Ones Are Better</ref>
</references>

{{Normdaten|TYP=s|GND=4179945-8}}

[[Kategorie:Diode]]

Schottky-Diode - Versionsgeschichte

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