Schnell und effizient: Schottky Dioden

Ideal für Anwendungen in der Hochfrequenz-Gleichrichtung

Mit Schottky Dioden funktionieren Hochfrequenzanwendungen einfach besser, da durch ihren Einsatz die benötigten schnellen Schaltgeschwindigkeiten erreicht werden können. Wir erklären, was diese kleinen Bauteile so besonders macht, wie sie arbeiten und wofür man sie einsetzt.

Was macht eine Schottky-Diode?

Die Schottky Diode, benannt nach dem Entdecker des Wirkprinzips von Metall-Halbleiter-Verbindungen, Walter Schottky, ist eine elektronische Einzelkomponente und arbeitet im Grunde wie eine herkömmliche Diode. Sie stellt je nach Polung sowohl Leiter als auch Isolator in einem Stromkreislauf dar. Dadurch wirkt sie entweder als Gleichrichter oder wie ein ohmscher Widerstand. Aufgrund ihrer besonderen Konstruktion weist sie jedoch einige entscheidende Vorteile auf:

Die Diodenspannung einer Schottky Diode ist sehr gering. Sie beträgt je nach Typ nur zwischen 0,3 und 0,4 Volt. Das heißt, sie beginnt bereits bei sehr kleinen Strömen zu leiten. Dadurch entstehen eine kurze Sperrverzögerungszeit sowie ein geringer Spannungsabfall. Dies macht die Schottky-Diode nicht nur besonders schnell, sondern auch besonders wirksam. Die Schaltzeiten betragen so nur ein bis drei Nanosekunden. Damit ist sie für den Einsatz in schnellen Schaltungen und in der Hochfrequenztechnik prädestiniert.

Andere gängige Bezeichnungen sind Schottky-Kontakt, Schottky-Barriere und Hot-Carrier-Diode.

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Wie ist eine Schottky Diode aufgebaut?

Anders als klassische Halbleiter-Dioden besteht eine Schottky Diode aus einer n-leitenden Halbleiterschicht mit einem Metallkontakt aus Gold, Silber, Platin, Wolfram oder Chrom. Sie verfügt also nicht über einen p-n-Übergang, sondern bildet einen sperrenden Metall-Halbleiter-Übergang. Die Metallseite bildet dabei die Anode und die Halbleiterseite die Kathode der Diode. Weil die überschüssigen Elektronen im n-dotierten Silizium leichter in die Metallschicht gelangen, entsteht beim Zusammenfügen der beiden Materialien eine elektronenarme Grenzschicht, die sogenannte Schottky Barriere: Ein elektrisches Feld, durch das Strom nur oberhalb einer gewissen Energieschwelle fließen kann. Legt man nun Strom an, verändert sich die Barriere und auch die Funktion der Schottky Diode:

Die Schottky Barriere wird größer, wenn man die Schottky Diode in Sperrrichtung, also mit der Kathode an den Pluspol der Spannungsquelle, anschließt. Sie nimmt dann einen großen Teil der Siliziumschicht ein und es können keine Elektroden mehr in die Metallschicht diffundieren. Obwohl immer noch ein kleiner Strom (Sperrstrom) fließt, kappt die Diode den Stromfluss.
Polt man eine Schottky Diode in Durchlassrichtung mit der Metallseite an den Pluspol der Spannungsquelle, fließen Elektronen von der Halbleiter- in die Metallschicht. Die Raumladungszone wird freigeräumt. Sie schrumpft kontinuierlich, bis sie schließlich ganz abgebaut ist.

Funktionsprüfung einer Schottky Diode

Eine funktionierende Schottky Diode darf Strom nur in die Durchlassrichtung leiten. Wenn der Strom auch in Sperrrichtung fließt, hat die Diode einen Kurzschluss. Fließt der Strom in beiden Richtungen nicht, ist die Diode „offen“. Ein Defekt lässt sich mit einem Multimeter feststellen. Mit hochwertigen Multimetern lassen sich Schottky Dioden im Diodenprüfmodus messen. Bei einfachen Multimetern klappt es über die Widerstandsmessung.

Vor- und Nachteile von Schottky-Dioden

Einer der größten Vorteile der Schottky Diode ist, dass sie schnell zwischen Sperren und Durchlassen wechselt. Denn durch den besonderen Halbleiter-Metall-Kontakt müssen keine Minderheitsladungsträger ausgeräumt werden. Der durchfließende Strom besteht nur als Elektronen, die ungehindert dem Stromfluss folgen können. Diese Majoritätsladungsträger sind sehr schnell, weshalb Schottky Dioden vor allem beim Übergang vom Durchlass- in den Sperrbetrieb schneller sind als normale Dioden. Schottky Dioden mit Galliumarsenid oder Indiumphosphid als Halbleitermaterial können Schaltfrequenzen bis zu 100 GHz erreichen.

Nachteile sind höhere Leckströme und dadurch schnell ansteigende Leistungsverluste bei höherer Sperrspannung. Damit geht das „thermische Durchgehen“ einher: Schottky Dioden halten im Gegensatz zu Halbleiterdioden nur geringe Spannungen aus. Bei hohen Strömen entwickelt sich Wärme durch den entstehenden Ableitstrom. In Kombination mit externen Hitzeeinflüssen erhöht sich die Gehäuse- und Umgebungstemperatur. Das kann zu Schäden an der Diode oder anderen angeschlossenen Bauteilen führen. Der Einsatz von Schottky Dioden ist deswegen auf Anwendungen mit niedriger Leistung beschränkt.

Weitere Eigenschaften von Schottky Dioden:

Geringe Durchlassspannung
Niedrige Windungsspannung zwischen 0,15 und 0,45 V
Hohe Stromdichte
kurze Wiederherstellungszeit
Geringer Durchlassspannungsabfall
Geringe Verlustleistung
Höherer Wirkungsgrad
Kurze Sperrverzögerungszeiten

Kennlinie der Schottky Diode

Damit eine Schottky Diode ihre spezifische Funktion erfüllt, sind einige Kennzahlen zu beachten, die sie von anderen Dioden unterscheidet. Diese Kennzahlen und das Verhalten einer Diode liest man an ihrer spezifischen Kennlinie ab. Diese stellt den Stromfluss in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung grafisch dar.

In der rechten Hälfte des Diagramms erkennt man, wie die in Stromrichtung gepolte Diode arbeitet. Anliegende Spannung und Stromfluss nennt man Durchlassspannung und Durchlassstrom. Damit die Diode überhaupt Strom weiterführt, braucht es eine Schwellspannung zwischen 0,3 und 0,4 Volt. Erst dann wird die Schottky Diode zum Leiter. Liegt der Wert darunter, fließt kein Strom.

Schaltet man die Schottky Diode entgegengesetzt zur Stromrichtung, sperrt sie. Dabei wirkt sie im Grunde wie ein Isolator – allerdings nur bis zu einem bestimmten Punkt. Was man in der linken Hälfte des Diagramms erkennen kann. Bis zu einer gewissen Spannung fließt nur ein sehr kleiner Sperrstrom. Wird dieser Punkt überschritten, nimmt der Sperrstrom rasant zu: Die Diode „bricht“ und ist zerstört. Die Höhe dieser Durchbruchspannung ist je Dioden-Art unterschiedlich und kann abhängig vom verwendeten Halbleitermaterial bis zu 2000 Volt erreichen.

Graph zur Darstellung der Kennlinie einer Schottky-Diode

Spezielle Schottky-TTLs (S-TTL)

Schottky Dioden sind in vielen TTL-Schaltkreisen verbaut. Ihre niedrige Flussspannung verhindert eine Sättigung des Transistors und ermöglicht schnelleres Schalten bei geringerem Stromverbrauch. Dadurch ergeben sich Schaltungen mit hoher Schaltfrequenz und geringer Verlustleistung.

Schottky-TTL (S-TTL): Schaltzeit von wenigen Nanosekunden bei geringer Verlustleistung
Low-Power-Schottky-TTL (LS-TTL): Deutlich verringerte Leistungsaufnahme bei vergleichbarer Schaltfrequenz
Advanced-Low-Power-TTL (ALS-TTL): Weiterentwicklung der LS-Schaltung mit noch geringerer Leistungsaufnahme
Advanced-Schottky-TTL (AS-TTL): Extrem kurze Schaltzeiten bei recht geringer Verlustleistung

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**Leistung/Schaltfrequenz TTLs**
TTL-Unterfamilie	Bezeichnung	Leistung	Schaltfrequenz
TTL	7400	10 mW	40 MHz
L-TTL (Low Power)	74L00	1 mW	12 MHz
H-TTL (High Speed)	74H00	22 mW	80 MHz
S-TTL (Schottky)	74S00	20 mW	130 MHz
LS-TTL (Low Power Schottky)	74LS00	2 mW	50 MHz
AS-TTL (Advanced Shottky)	74AS00	8 mW	220 MHz
ALS-TTL (Advanced Low Power Shottky)	74ALS00	1 mW	50 MHz

Der Schottky-Transistor

Schottky Transistoren (engl. schottky-clamped transistor) machen TTL-Schaltungen schneller. Deswegen werden sie häufig anstelle der standardmäßig genutzten gesättigten Transistoren eingesetzt. Bei diesen sammelt sich in der Transistorbasis überschüssige Energie an, die bei jedem Umschaltvorgang ausgeräumt werden muss. Diese Sättigung führt zu Verzögerungen beim Schaltvorgang. Die Lösung ist einfach: Indem man eine Schottky Diode parallel zur Kollektor-Basis-Diode (CB-Diode) des Transistors schaltet, lässt sich dessen Schaltgeschwindigkeit deutlich erhöhen. Wegen ihrer niedrigen Flussspannung kommt der Strom zuerst durch die Schottky Diode und die CB-Diode wird nicht mehr als Leiter genutzt. Der Transistor nimmt genau den Strom auf, den er benötigt. Der überschüssige Basisstrom fließt durch die Schottky Diode und verhindert so die Sättigung des Transistors. Der Schottky Transistor hat ein eigenes Schaltzeichen, welches die Schaltung mit der Schottky Diode vereinfacht darstellt.