Schottky-Übergang

Schaltzeichen (nicht genormt)

Eine Schottky-Diode, auch Schottky-Barriere oder Schottky-Kontakt genannt, ist in der Elektronik eine spezielle Diode, welche keinen p-n-Übergang (Halbleiter-Halbleiter-Übergang) sondern einen Metall-Halbleiter-Übergang besitzt. Wie der p-n-Übergang hat auch die Schottky-Diode gleichrichtenden Charakter. Unter bestimmten Bedingungen verhält sich der Metall-Halbleiter-Übergang jedoch wie ein ohmscher Widerstand; dann nennt man ihn ohmscher Kontakt.

Benannt ist die Schottky-Diode nach dem deutschen Physiker Walter Schottky. Die gleichrichtenden Eigenschaften wurden erstmals 1874 von Ferdinand Braun beobachtet. Anfangs bestanden die Metall-Halbleiter-Übergänge aus punktförmigen Kontakten. Dazu wurde ein spitzer Metalldraht an einer Halbleiteroberfläche angebracht; man nennt diesen Aufbau auch Spitzendiode; der Einsatzbereich war Mitte des 20. Jahrhunderts vor allem in den damals üblichen Detektorempfängern. Diese ersten Schottky-Dioden, sie wurden damals als Kristall-Detektoren bezeichnet, stellten sich jedoch als sehr unzuverlässig heraus. Deswegen wurde der punktförmige Kontakt schließlich durch einen dünnen Metallfilm ersetzt, was auch bei heute handelsüblichen Schottky-Dioden Standard ist.

Schottky-Dioden in der Elektronik

Ausführungsformen von Schottky-Dioden 1. MESH-Diode, 2. Passivated-Diode, 3. Offset-junction-Diode, 4. Hybrid-Diode

Als „schnelle“ Dioden sind Schottky-Dioden für Hochfrequenzanwendungen bis in den Mikrowellenbereich geeignet. Die Schnelligkeit liegt vor allem an ihren kleinen Sättigungskapazitäten. Deshalb werden sie auch oft als Schutzdioden zum Spannungsabbau von Induktionsspannungen (Freilaufdiode) oder als Gleichrichterdioden in Schaltnetzteilen eingesetzt und ermöglichen dort Schaltfrequenzen bis über 1 MHz. Auch für Detektorschaltungen sind sie als Demodulator gut geeignet.

Da sie außerdem einen kleineren Spannungsabfall in Durchlassrichtung (ca. 400 mV) haben als ein klassischer p-n-Übergang, können sie, wenn sie parallel zur Kollektor-Basis-Strecke eines Silizium-Bipolartransistors geschaltet sind, eine Sättigung des Transistors verhindern und somit ein wesentlich schnelleres Schalten des Transistors in den Sperrzustand ermöglichen. Dies wurde vor allem vor der Verbreitung von leistungsfähigen MOSFETs bei schnellen Schaltern wie z. B. in Schaltnetzteilen genutzt, aber auch zur Realisierung von schnelleren TTL-Logikschaltungen (Digitaltechnik) z. B. in den Reihen 74(A)S und 74(A)LS. Auch hier verhindern sie eine Sättigung des Transistors und ermöglichen dadurch schnelleres bzw. leistungsärmeres Schalten.

Der inhärente Nachteil der Schottky-Dioden sind die höheren Leckströme im Vergleich zur p-n-Diode, sowie die bei Konstruktion für höhere Sperrspannung schnell ansteigenden Leitungsverluste.

Als Halbleitermaterial wird meist Silizium für Spannungen bis 250 V, manchmal auch GaAs^[1], SiC für Spannungen von 300 V, 600 V und 1200 V^[2][3][4] oder SiGe verwendet.

SiC-Schottky-Dioden bieten in der Leistungselektronik gegenüber den konventionellen Si-PIN-Diode eine Reihe von Vorteilen. Da sie fast kein Vorwärts- und vor allem Rückwärts-Erholverhalten aufweisen, kommen sie der idealen Diode sehr nahe. Beim Einsatz als Kommutierungspartner für IGBT-Transistoren ist eine erhebliche Reduktion der Schaltverluste in der Diode selbst aber auch im Transistor möglich, da dieser beim Wiedereinschalten keinen Rückwärts-Erholstrom zu übernehmen braucht. Die erlaubten Sperrschichttemperaturen liegen höher als bei Silizium.

Funktion

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 Halbleiter (die übliche Bauform) anhand des Bändermodells behandelt, indem die potentielle Energie der Elektronen als Funktion des Ortes aufgetragen wird. Man geht davon aus, dass die Austrittsarbeit des Metalls $q \cdot \varphi_m$ größer als die Elektronenaffinität $q \cdot \chi$ des Halbleiters ist; das ist bei den meisten Metall-Halbleiter-Kombinationen, die für Schottky-Dioden verwendet werden, erfüllt. 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 ändert. In diesem Fall entsteht an der Grenzfläche zwischen der Fermikante W_F und der Leitungsband-Unterkante des Halbleiters eine Potentialstufe der Höhe $\varphi_B=\varphi_m-\chi$. Allerdings werden in Wirklichkeit die Oberflächen von Metall und Halbleiter durch die Bindung stark verändert, und die tatsächliche Höhe der Potentialstufe oder Schottky-Barriere $\varphi_B$ 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-Energie W_F des ungestörten (n-dotierten) Halbleiters liegt zwischen den Donatorniveaus und der Leitungsband-Unterkante, also knapp unterhalb des Leitungsbands. Beim (gedachten) Zusammenfügen des Metalls mit dem Halbleiter kommt es zum Ladungsausgleich, es gibt danach nur mehr eine gemeinsame Fermi-Energie. Es kommt dadurch zu einem „Verbiegen“ der Bänder des Halbleiters. In der sogenannten Verarmungszone (engl. depletion zone) ist die potentielle Energie der Elektronen im Leitungsband (Majoritätsladungsträger) hoch. Es gibt daher weniger Elektronen und es tritt eine positive Raumladung auf, denn die positiv geladenen Donatoren müssen im Gegensatz zu den Elektronen ja an ihren Plätzen bleiben.

Wird nun eine positive Spannung angelegt (negativer Pol am n-Typ-Halbleiter), werden Elektronen in die Verarmungszone gedrängt und die Potentialbarriere wird kleiner. Elektronen können dann vom Halbleiter in das Metall fließen („Vorwärtsrichtung“, engl. forward bias). Legt man dagegen eine negative Spannung an (die nicht zu groß ist), werden die Elektronen noch stärker in Richtung des Halbleiters gezogen, die Dicke der Verarmungszone steigt („Sperrrichtung“, engl. 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 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 Halbleiterdioden, die auf einem p-n-Übergang basieren. Mit Schottky-Dioden aus Silizium sind Schaltfrequenzen von mehr als 10 GHz, aus GaAs bzw. aus InP sogar von mehr als 100 GHz möglich.

Ohmscher Kontakt

Nicht jeder Metall-Halbleiter-Kontakt besitzt eine gleichrichtende Wirkung. Da die Dicke der Verarmungszone umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Dichte der Donatoratome 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. Auch durch Legierungsbildung (Bildung von Metallsiliziden an der Grenze) kann der Schottky-Übergang zu einem ohmschen Kontakt werden. Ohmsche Kontakte werden beispielsweise benötigt, um Halbleiterbauelemente zu kontaktieren. Ohne ohmsche Kontakte könnte man Halbleiterbauelemente gar nicht verwenden.

Referenzen

1. ↑ GaAs-Schottky-Dioden der Fa. IXYS
2. ↑ SiC-Schottky-Dioden der Fa. Cree
3. ↑ SiC-Schottky-Dioden der Fa. Infineon
4. ↑ SiC-Schottky-Dioden der Fa. IXYS