Schnell und effizient: Schottky Dioden

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.

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:

1. 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.
2. 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.

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

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

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