Schottky-Dioden – Gerät, Typen, Eigenschaften und Verwendung

Schottky-Dioden, genauer gesagt Schottky-Barrieredioden, sind Halbleiterbauelemente, die auf der Basis eines Metall-Halbleiter-Kontakts hergestellt werden, während herkömmliche Dioden einen Halbleiter-pn-Übergang verwenden.

Die Schottky-Diode verdankt ihren Namen und ihr Auftreten in der Elektronik dem deutschen Physiker Walter Schottky, der 1938 bei der Untersuchung des neu entdeckten Barriereeffekts die frühere Theorie bestätigte, nach der sogar die Emission von Elektronen aus dem Metall durch die Potentialbarriere behindert wurde , aber mit dem angelegten externen elektrischen Feld wird diese Barriere abnehmen. Walter Schottky entdeckte diesen Effekt, der damals zu Ehren des Wissenschaftlers Schottky-Effekt genannt wurde.

Körperliche Seite

Wenn man den Kontakt zwischen dem Metall und dem Halbleiter untersucht, kann man erkennen, dass, wenn sich in der Nähe der Oberfläche des Halbleiters ein Bereich befindet, der an den meisten Ladungsträgern verarmt ist, dann im Kontaktbereich dieses Halbleiters mit dem Metall auf der Seite des Halbleiters , eine Raumzone wird gebildet Ladung aus ionisierten Akzeptoren und Donoren und es entsteht ein blockierender Kontakt – die Schottky-Barriere selbst ... Unter welchen Bedingungen entsteht diese Barriere? Der thermionische Strahlungsstrom von der Oberfläche eines Festkörpers wird durch die Richardson-Gleichung bestimmt:

Schaffen wir Bedingungen, bei denen die thermodynamische Austrittsarbeit der Elektronen des Metalls größer ist als die thermodynamische Austrittsarbeit der Elektronen des Halbleiters, wenn ein Halbleiter, zum Beispiel vom n-Typ, mit einem Metall in Kontakt steht. Unter solchen Bedingungen ist gemäß Richardsons Gleichung der thermionische Strahlungsstrom von der Halbleiteroberfläche größer als der thermionische Strahlungsstrom von der Metalloberfläche:

Zu Beginn, beim Kontakt dieser Materialien, wird der Strom vom Halbleiter zum Metall den Rückstrom (vom Metall zum Halbleiter) übersteigen, wodurch in den oberflächennahen Bereichen beider Halbleiter und Metall beginnen sich Raumladungen anzusammeln – positive im Halbleiter und negative – im Metall. Im Kontaktbereich entsteht ein durch diese Ladungen gebildetes elektrisches Feld und es kommt zu einer Krümmung der Energiebänder.

Unter der Einwirkung des Feldes erhöht sich die thermodynamische Austrittsarbeit für den Halbleiter und dieser Anstieg setzt sich fort, bis die thermodynamische Austrittsarbeit und die entsprechenden auf die Oberfläche ausgeübten thermionischen Strahlungsströme im Kontaktbereich gleich werden.

Das Bild des Übergangs in einen Gleichgewichtszustand mit Bildung einer Potentialbarriere für p-Typ-Halbleiter und Metall ähnelt dem betrachteten Beispiel mit n-Typ-Halbleiter und Metall. Die Rolle der externen Spannung besteht darin, die Höhe der Potentialbarriere und die Stärke des elektrischen Feldes in der Raumladungszone des Halbleiters zu regulieren.

Die obige Abbildung zeigt die Flächendiagramme der verschiedenen Stadien der Bildung der Schottky-Barriere. Unter Gleichgewichtsbedingungen in der Kontaktzone gleichen sich die thermischen Emissionsströme aus, aufgrund der Wirkung des Feldes entsteht eine Potentialbarriere, deren Höhe gleich der Differenz der thermodynamischen Arbeitsfunktionen ist: φk = FMe — Фп / п.

Offensichtlich erweist sich die Strom-Spannungs-Kennlinie der Schottky-Barriere als asymmetrisch. In Vorwärtsrichtung steigt der Strom exponentiell mit der angelegten Spannung. In der Gegenrichtung ist der Strom unabhängig von der Spannung. In beiden Fällen wird der Strom durch Elektronen als Hauptladungsträger angetrieben.

Daher zeichnen sich Schottky-Dioden durch ihre Geschwindigkeit aus, da sie diffuse und Rekombinationsprozesse ausschließen, die zusätzliche Zeit erfordern. Die Abhängigkeit des Stroms von der Spannung hängt mit einer Änderung der Anzahl der Ladungsträger zusammen, da diese am Ladungsübertragungsprozess beteiligt sind. Die äußere Spannung verändert die Anzahl der Elektronen, die von einer Seite der Schottky-Barriere zur anderen Seite gelangen können.

Aufgrund der Herstellungstechnologie und basierend auf dem beschriebenen Funktionsprinzip weisen Schottky-Dioden einen geringen Spannungsabfall in Durchlassrichtung auf, der viel kleiner ist als bei herkömmlichen p-n-Dioden.

Hier führt bereits ein kleiner anfänglicher Strom durch die Kontaktfläche zur Freisetzung von Wärme, die dann zum Auftreten zusätzlicher Stromträger beiträgt. In diesem Fall erfolgt keine Injektion von Minderheitsladungsträgern.

Schottky-Dioden haben daher keine diffuse Kapazität, da es keine Minoritätsträger gibt und daher ist die Geschwindigkeit im Vergleich zu Halbleiterdioden recht hoch. Es stellt sich heraus, dass es sich um einen scharfen asymmetrischen pn-Übergang handelt.

Somit sind Schottky-Dioden zunächst einmal Mikrowellendioden für verschiedene Zwecke: Detektor, Mischen, Lawinendurchgang, parametrisch, gepulst, multiplizierend. Schottky-Dioden können als Strahlungsdetektoren, Dehnungsmessstreifen, Kernstrahlungsdetektoren, Lichtmodulatoren und schließlich als Hochfrequenzgleichrichter verwendet werden.

Bezeichnung der Schottky-Dioden in Diagrammen

Diode Schottky heute

Heutzutage werden Schottky-Dioden häufig in elektronischen Geräten verwendet. In den Diagrammen werden sie anders dargestellt als herkömmliche Dioden. Häufig findet man Doppel-Schottky-Gleichrichter im für Leistungsschalter typischen dreipoligen Gehäuse. Solche Doppelstrukturen enthalten im Inneren zwei Schottky-Dioden, die häufiger als Kathoden durch Kathoden oder Anoden verbunden sind.

Die Dioden in der Baugruppe haben sehr ähnliche Parameter, da jeder dieser Knoten in einem technologischen Zyklus hergestellt wird und daher ihre Betriebstemperatur entsprechend gleich und die Zuverlässigkeit höher ist. Ein anhaltender Spannungsabfall von 0,2–0,4 Volt und eine hohe Geschwindigkeit (Einheiten von Nanosekunden) sind die unbestrittenen Vorteile von Schottky-Dioden gegenüber ihren pn-Gegenstücken.

Die Besonderheit der Schottky-Barriere bei Dioden, verbunden mit einem geringen Spannungsabfall, zeigt sich bei angelegten Spannungen von bis zu 60 Volt, die Geschwindigkeit bleibt jedoch konstant. Schottky-Dioden vom Typ 25CTQ045 (für Spannungen bis 45 Volt, für Ströme bis 30 Ampere pro Diodenpaar im Verbund) sind heute in vielen Schaltnetzteilen zu finden und dienen dort als Gleichrichter für Ströme bis zu mehreren Hundert Kilohertz.

Es ist unmöglich, das Thema der Nachteile von Schottky-Dioden nicht anzusprechen, natürlich sind sie vorhanden und es gibt zwei davon. Erstens führt eine kurzzeitige Überschreitung der kritischen Spannung zum sofortigen Abschalten der Diode. Zweitens hat die Temperatur einen starken Einfluss auf den maximalen Rückstrom. Bei einer sehr hohen Sperrschichttemperatur wird die Diode bei Betrieb mit Nennspannung einfach durchbrechen.

Kein Funkamateur kommt in seiner Praxis ohne Schottky-Dioden aus. Die beliebtesten Dioden sind hier aufgeführt: 1N5817, 1N5818, 1N5819, 1N5822, SK12, SK13, SK14. Diese Dioden sind sowohl als Ausgangs- als auch als SMD-Version erhältlich. Funkamateure schätzen sie vor allem wegen ihrer hohen Geschwindigkeit und dem geringen Spannungsabfall an der Sperrschicht – maximal 0,55 Volt – bei geringen Kosten dieser Komponenten.

Eine seltene Leiterplatte kommt für den einen oder anderen Zweck ohne Schottky-Dioden aus. Irgendwo dient die Schottky-Diode als Gleichrichter mit geringer Leistung für den Rückkopplungskreis, irgendwo als Spannungsstabilisator auf dem Niveau von 0,3 bis 0,4 Volt und irgendwo als Detektor.

In der folgenden Tabelle sehen Sie die Parameter der heute gängigsten Schottky-Dioden mit geringer Leistung.