In diesem Artikel werde ich die Vorteile von Schottky-Dioden, ihre Anwendungsbereiche und ihre Unterschiede zu anderen Dioden erläutern.
Einführung in die Anti-Reverse-Flow-Schottky-Diode
Eine Anti-Rückstrom-Schottky-Diode ist eine Art Halbleiterbauelement, das als Einwegventil für elektrischen Strom dient. Sie wurde entwickelt, um zu verhindern, dass Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt, was zu Schäden am Schaltkreis oder Gerät führen könnte. Die Schottky-Diode ist nach Walter H. Schottky benannt, der sie 1938 erfunden hat.
Die Anti-Rückstrom-Schottky-Diode wird häufig in elektronischen Geräten wie Netzteilen, Batterieladegeräten und Solarmodulen verwendet. Sie ist besonders nützlich in Schaltkreisen, in denen aufgrund der Art der Last oder der Stromquelle die Gefahr eines Rückstromflusses besteht. In einer Solaranlage kann die Diode beispielsweise verhindern, dass sich die Batterie nachts über die Solarzellen entlädt.
Insgesamt ist die Schottky-Diode mit Rückstromsperre ein wesentlicher Bestandteil vieler elektronischer Systeme, um einen ordnungsgemäßen und sicheren Betrieb zu gewährleisten.
Die Vorwärtsspannung der Schottky-Diode verstehen
Der Vorwärtsspannungsabfall einer Schottky-Diode liegt typischerweise zwischen 0,15 und 0,45 Volt und ist damit deutlich geringer als der Vorwärtsspannungsabfall einer herkömmlichen Diode, der zwischen 0,6 und 0,7 Volt liegt. Dieser geringe Vorwärtsspannungsabfall bedeutet, dass Schottky-Dioden elektrische Energie effizienter in Licht oder Wärme umwandeln. Darüber hinaus eignen sie sich aufgrund ihres geringen Vorwärtsspannungsabfalls ideal für Niederspannungsanwendungen.
Wie funktioniert die Schottky-Diode?
Eine Schottky-Diode funktioniert durch die Erzeugung einer Barriere zwischen einem Metall und einem Halbleiter. Der Metallbereich ist die positive Elektrode, und der N-Typ-Halbleiterbereich ist die negative Elektrode. Da sich im Halbleiter viele Elektronen befinden und im Metall nur wenige, diffundieren die Elektronen vom Halbleiter zum Metall. Dadurch entsteht eine Potentialbarriere, die den Stromfluss in umgekehrter Richtung blockiert. Wenn die Driftbewegung und die Diffusionsbewegung der Elektronen ein Gleichgewicht erreichen, bildet sich eine Schottky-Barriere.
Ein typischer Schottky-Gleichrichter verwendet ein N-Halbleitersubstrat mit einer mit Arsen dotierten N-Epitaxieschicht. Molybdän oder Aluminium wird zur Herstellung der Barriereschicht für die Anode verwendet, und Siliziumdioxid wird zur Verbesserung des Spannungsfestigkeitswertes der Röhre verwendet. Unter dem Substrat wird eine N+-Kathodenschicht gebildet, um den Kontaktwiderstand der Kathode zu verringern. Durch Anpassung der Strukturparameter wird zwischen dem N-Typ-Substrat und dem Anodenmetall eine Schottky-Barriere gebildet. Durch Anlegen einer Vorwärtsspannung an beide Enden der Schottky-Barriere wird die Barriereschicht schmaler und ihr Widerstand kleiner, während eine Rückwärtsspannung die Barriereschicht verbreitert und ihren Widerstand erhöht.
Aufbau einer Schottky-Diode
Der neue Hochspannungs-SBD unterscheidet sich sowohl in seiner Struktur als auch in seinem Material von herkömmlichen SBDs. Herkömmliche SBDs verwenden Metall-Halbleiter-Kontakte mit Metallen wie Aluminium, Gold, Molybdän, Nickel oder Titan und Halbleitern wie Silizium (Si) oder Galliumarsenid (GaAs).
Um gute Frequenzeigenschaften zu erzielen, werden für das Substrat N-Halbleitermaterialien gewählt, da diese eine höhere Elektronenbeweglichkeit als Löcher aufweisen. Eine hochohmige N-Dünnschicht wird ebenfalls epitaktisch auf das N+-Substrat aufgebracht, um die Übergangskapazität zu reduzieren und die Sperr-Durchbruchspannung zu erhöhen, ohne den Serienwiderstand zu sehr zu erhöhen.
Wenn ein Metall mit einem Halbleiter in Kontakt kommt, diffundieren Elektronen vom Halbleiter zum Metall, da das Fermi-Niveau des Metalls niedriger ist als das des Halbleiters. Dies führt dazu, dass das Metall negativ geladen wird und der Halbleiter positiv geladen wird. Da Metalle perfekte Leiter sind, verteilen sich die negativen Ladungen nur innerhalb einer dünnen atomaren Schicht auf der Oberfläche.
N-Typ-Halbleiter haben positiv geladene Donator-Verunreinigungsatome, die über einen größeren Bereich verteilt sind. Wenn Elektronen vom Halbleiter zum Metall diffundieren, bilden sich eine Verarmungsschicht, ein selbst erzeugtes elektrisches Feld und eine Potentialbarriere, die nur auf der Seite des N-Typ-Halbleiters existiert. Das selbst erzeugte elektrische Feld im Barrierenbereich zeigt vom N-Typ-Bereich zum Metall. Mit zunehmendem selbst erzeugten Feld durch thermische Elektronenemission steigt der Driftstrom entgegen dem Diffusionsstrom, bis ein dynamisches Gleichgewicht erreicht ist, wodurch ein Kontaktpotenzial zwischen dem Metall und dem Halbleiter entsteht, das als Schottky-Barriere bekannt ist.
Bei einer Spannung von Null entspricht der Diffusionsstrom der Elektronen dem Rückwärtsdriftstrom, was zu einem dynamischen Gleichgewicht führt. Durch Anlegen einer Vorwärtsspannung wird das selbst erzeugte Feld geschwächt und die Potentialbarriere auf der Halbleiterseite verringert, sodass ein Vorwärtsstrom vom Metall zum Halbleiter fließen kann. Andererseits verstärkt das Anlegen einer Sperrvorspannung das selbst erzeugte Feld und erhöht die Höhe der Potentialbarriere, wodurch ein kleiner Sperrstrom vom Halbleiter zum Metall fließt. Somit ist die SBD wie eine PN-Übergangsdiode ein nichtlineares Bauelement, das unidirektional leitet.
Anwendungen der Schottky-Diode in der modernen Elektronik
Schottky-Dioden finden in der modernen Elektronik vielfältige Anwendung. Eine der häufigsten Anwendungen ist die Gleichrichtung von Strom, wo sie zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom eingesetzt werden. Sie können auch zur Spannungsbegrenzung verwendet werden, wo sie die maximale Spannung in einem Stromkreis begrenzen. Darüber hinaus werden Schottky-Dioden häufig in Hochfrequenzanwendungen eingesetzt, beispielsweise in Radiofrequenzdetektoren und Mischern.
Vor- und Nachteile der Schottky-Diode
Vorteile der Schottky-Diode:
- Geringer Vorwärtsspannungsabfall im Vergleich zu anderen Dioden, was zu weniger Leistungsverlusten und höherer Effizienz führt.
- Höhere Schaltgeschwindigkeit als andere Dioden aufgrund geringerer Sperrschichtkapazität, wodurch sie sich ideal für Hochfrequenzanwendungen eignet.
- Geringere Rückerholzeit als bei anderen Dioden, wodurch das Risiko einer Beschädigung durch Rückwärtsspannungsspitzen verringert wird.
- Höherer Betriebstemperaturbereich als bei anderen Dioden, wodurch sie für den Einsatz in Umgebungen mit hohen Temperaturen geeignet ist.
- Kann als Gleichrichter in Stromversorgungen, Spannungsbegrenzung, Signal-Demodulation und anderen Anwendungen eingesetzt werden.
Nachteile der Schottky-Diode:
- Geringere Sperr-Durchbruchspannung im Vergleich zu anderen Dioden, was den Einsatz in Hochspannungsanwendungen einschränkt.
- Höherer Leckstrom als bei anderen Dioden, was in Schaltungen mit geringem Stromverbrauch zu Problemen führen kann.
- Anfälliger für thermisches Durchgehen aufgrund des geringeren Vorwärtsspannungsabfalls, was zu Schäden an der Diode und den umgebenden Bauteilen führen kann.
- Empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD), was zu dauerhaften Schäden an der Diode führen kann.
- Begrenzte Verfügbarkeit von Hochspannungs-Schottky-Dioden im Vergleich zu anderen Diodentypen.
Beispiel:
Ein Beispiel für eine Schottky-Diode ist die 1N5817. Sie hat einen Vorwärtsspannungsabfall von 0,45 V und einen maximalen Vorwärtsstrom von 1 A. Sie kann für Gleichrichtung, Spannungsbegrenzung und andere Anwendungen in Niederspannungskreisen verwendet werden. Aufgrund ihrer geringeren Sperr-Durchbruchspannung ist sie jedoch möglicherweise nicht für Hochspannungsanwendungen geeignet.
Schottky-Diode vs. normale Diode
Der Hauptunterschied zwischen einer Schottky-Diode und einer herkömmlichen Diode besteht in der Art des verwendeten Übergangs. Herkömmliche Dioden verwenden einen P-N-Übergang, während Schottky-Dioden einen Metall-Halbleiter-Übergang verwenden. Dieser Unterschied im Übergangstyp führt zu einem geringeren Vorwärtsspannungsabfall bei Schottky-Dioden sowie zu einer schnelleren Schaltgeschwindigkeit und einer kürzeren Rückwärtserholungszeit.
Auswahl der richtigen Schottky-Diode für Ihre Anwendung
Bei der Auswahl einer Schottky-Diode für Ihre Anwendung sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Der erste Faktor ist der Vorwärtsspannungsabfall, der die Mindestspannung bestimmt, bei der die Diode leitet.
Der zweite Faktor ist die Sperrspannung, die die maximale Spannung bestimmt, der die Diode in Sperrrichtung standhalten kann.
Der dritte Faktor schließlich ist die maximale Strombelastbarkeit, die den maximalen Strom bestimmt, den die Diode verarbeiten kann.
