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Alles über die Schottky Diode

Die Schottky Diode ist ein elektronisches Bauteil, eine besondere Art von Diode. Im Gegensatz zu herkömmlichen Dioden beruht ihre Arbeitsweise nicht auf dem Zusammenwirken zweier verschieden dotierter Halbleitermaterialien sondern auf einem Effekt, der beim Zusammentreffen eines Halbleitermaterials mit Metall auftritt. Die Diode ist nach dem deutschen Physiker Walter Schottky, der 1938 diesen Effekt als erster theoretisch beschrieben hat, benannt. Entdeckt wurde dieser Effekt allerdings schon 1875 von K. F. Braun, dem Erfinder der Braunschen Röhre. Die Schottky Diode wird auch „Hot Carrier Diode“ genannt, was man frei mit „Energiereiche-Ladungsträger-Diode“ übersetzen könnte.

Üblicherweise besteht eine Schottky Diode aus einem n-dotierten Halbleitermaterial und einem Metallkontakt. Bei der n-Dotierung wird das Halbleitermaterial mit Fremdatomen angereichert, die ein Valenzelektron mehr haben als der Halbleiter. Hierdurch entsteht im Halbleiter ein freies Elektron, das sich leicht aus dem Atomverbund löst und bei Raumtemperatur zum Ladungsträgertransport zur Verfügung steht. Wird nun dieser n-dotierte Halbleiter mit einem Metall in Kontakt gebracht, haben die Elektronen im Halbleiter eine wesentlich höhere Energie als die Elektronen im Metall. Daher wandern Elektronen aus dem Halbleiter in das Metall und es entsteht eine Raumladungszone an der Grenzschicht. Legt man einen Strom in Durchlassrichtung an die Diode an, d. h. Minus-Pol an das n-Material, erreichen die Elektronen im Halbleiter eine so hohe Energie, dass sie die Raumladungszone überwinden und in das Metall hinein wandern. Polt man den Strom um, dann werden die freien Ladungsträger in das Halbleitermaterial hineingezogen und die Sperrschicht vergrößert sich. Die Elektronen im Metall sind so fest gebunden, dass sie nicht in den Halbleiter hinein wandern können. Das Umschalten von der Durchlassrichtung in die Sperrrichtung erfolgt sehr schnell, da bei der Schottky Diode, im Gegensatz zu Halbleiterdioden, keine Ladungsträger ausgeräumt werden müsse bevor die Sperrwirkung eintritt. Auch das Umschalten von der Sperr- in die Durchlassrichtung erfolgt sehr schnell. Typischerweise liegen die Schaltzeiten der Schottky Diode im Bereich von 100 ps (100 ps = 100*10-12 s = 0,0000000001 s), dies entspricht Schaltfrequenzen im GHz-Bereich. Schottky Dioden haben mit ca. 0,4 V eine niedrigere Durchlassspannung als Halbleiterdioden und einen größeren Sperrstrom.

Als Halbleitermaterial wird hauptsächlich Silizium (Si), gelgentlich auch aus Galliumarsenid (GaAs) verwendet. Diese Schottky Dioden eignen sich für Spannungen bis 250 V. Für höhere Spannungen werden Schottky Dioden aus Siliziumcarbid (SiC) oder Siliziumgermanium (SiGe) hergestellt.

Die ersten Schottky Dioden wurden Mitte des 20. Jahrhunderts in Form von Spitzendioden hergestellt, d. h. der Metall-Halbleiter-Übergang war punktförmig realisiert. Diese Dioden wurden Kristall-Detektoren genannt und hauptsächlich in den Detektorempfängern eingesetzt. Sie waren aber nicht besonders zuverlässig. Heute wird der Metall-Halbleiter-Kontakt durch einen dünnen Metallfilm, der auf das Halbleitermaterial aufgebracht wird, realisiert.

Wozu braucht man eine Schottky Diode?

Schottky Dioden werden als Gleichrichter eingesetzt, d.h. sie machen aus Wechselstrom Gleichstrom. Außerdem werden sie als extrem schnelle Schalter verwendet.

Wer bietet Schottky Dioden an?

Für den Privatgebrauch, in kleinen Stückzahlen kann man Schottky Dioden bei jedem Händler kaufen, der Elektronikbauteile anbietet. Größere Stückzahlen oder Schottky Dioden mit besonderen Leistungsanforderungen bezieht man besser direkt vom Hersteller.

Wo findet man Schottky Dioden?

Man findet Schottky Dioden in Solaranlagen. Hier werden sie für zwei Zwecke verwendet. Zum einen als Überbrückung eines einzelnen Solarpanels, wenn die Panele in Reihe geschaltet sind. Bei einer Reihenschaltung der Solarpanele würde der Ausfall eines einzelnen Panels die gesamte Anlage stilllegen. Man kennt diesen Effekt von der Lichterkette am Weihnachtsbaum. Wenn ein Birnchen kaputt geht, bleibt die gesamte Kette dunkel. Wird nun eine Schottky Diode parallel zu dem Panel geschaltet, kann der Strom, statt über das ausgefallene Panel, über die Schottky Diode fließen. Die Leistung der Anlage sinkt zwar – es fehlt ja der Beitrag des ausgefallenen Panels – sie funktioniert aber weiter. Zum zweiten wird sie in Solaranlagen als „Sperre“ genutzt, um das Zurückfließen des Stromes von der Batterie in das Panel zu verhindern. Da der Strom durch eine Schottky Diode nur in einer Richtung fließen kann, wird sie zwischen Panel und Batterie eingebaut.

Schottky Dioden werden in der Leistungselektronik als schnelle Schalter verwendet.

Da Schottky Dioden sehr schnell reagieren, sind sie auch besonders für den Hochfrequenzbereich geeignet. Hier werden sie als Freilaufdiode (Schutzdiode zum Spannungsabbau von Induktionsspannungen), als Schaltdioden in Schaltnetzteilen oder als Demodulator in Detektorschaltungen eingesetzt.

In TTL-Schaltungen (Transistor-Transistor-Logik-Schaltungen = digitale Schaltungen) werden Schottky Dioden parallel zu Transistoren eingebaut, da sie auf Grund ihrer geringen Flussspannungen die Sättigung des Transistors verhindern und so ein schnelleres Schalten ermöglichen.