PN- vs. Schottky-Diode: die wichtigsten Unterschiede

Eine PN-Diode richtet über den Übergang zwischen p- und n-Halbleiter gleich, eine Schottky-Diode über den Übergang zwischen Metall und Halbleiter. Beim PN-Übergang werden in Durchlassrichtung Minoritätsladungsträger injiziert und gespeichert, sodass beim Umschalten in Sperrrichtung ein Rückwärtserholstrom fließt. Die Schottky-Diode arbeitet nur mit Majoritätsladungsträgern und hat daher praktisch keine Sperrverzögerung; bei Silizium liegt auch ihre Flussspannung mit etwa 0,2 bis 0,4 V unter den etwa 0,6 bis 0,7 V des PN-Übergangs. Dafür ist ihr Sperrleckstrom groß, und mit Silizium lassen sich hohe Sperrspannungen nur schwer erreichen.

MerkmalPN-DiodeSchottky-Diode
AufbauÜbergang zwischen p- und n-HalbleiterÜbergang zwischen Metall und Halbleiter (meist n-Typ) (Schottky-Kontakt)
Stromtragende LadungsträgerInjizierte Minoritätsladungsträger. Elektronen und Löcher sind beide beteiligtNur Majoritätsladungsträger. Der Strom fließt durch thermionische Emission über die Barriere
Flussspannung (Silizium, Richtwert)Etwa 0,6 bis 0,7 VEtwa 0,2 bis 0,4 V. Abhängig von Metallart und Sperrspannung
SperrverzögerungVorhanden. Ein Rückstrom fließt, bis die gespeicherten Minoritätsladungsträger verschwunden sind. Bei Standard-Gleichrichterdioden im µs-Bereich, bei Fast-Recovery-Typen etwa einige zehn nsPraktisch keine. Es fließt nur der Lade- und Entladestrom der Sperrschichtkapazität
SperrleckstromKleinGroß. Je niedriger die Barriere, desto größer
Sperrspannung (Silizium, Richtwert)Auch hohe Sperrspannungen sind leicht realisierbar. Bis in den Bereich von einigen kVBis etwa 200 V. Bei SiC sind auch Typen der 600- bis 1700-V-Klasse im Einsatz
Spannungsabfall bei hohem Strom (Hochvolttypen)Durch Leitfähigkeitsmodulation sinkt der Widerstand der niedrig dotierten Schicht, der Spannungsabfall bleibt geringKeine Leitfähigkeitsmodulation, der Widerstand der Driftschicht wirkt voll
TemperaturverhaltenDie Flussspannung sinkt um etwa −2 mV/°C. Der Leckstrom steigt mit der TemperaturDer Leckstrom steigt mit der Temperatur steil an, Vorsicht vor thermischem Durchgehen. Die Flussspannung sinkt mit der Temperatur
Typische AnwendungenNetzgleichrichtung, Hochspannungsgleichrichtung, allgemeine Schutz- und SignalschaltungenNiederspannungs-Hochstrom-Gleichrichtung in Schaltnetzteilen, Freilaufdioden, Verpolschutz, HF-Demodulation

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

PN-Diode
Für Gleichrichtung bei hoher Sperrspannung oder wenn der Leckstrom auch bei hohen Temperaturen klein bleiben soll. Eingesetzt etwa in der Netzgleichrichtung und in Hochspannungsschaltungen.
Schottky-Diode
Für die Gleichrichtung großer Ströme bei niedriger Spannung oder für schnelles Schalten. Eingesetzt etwa zur Ausgangsgleichrichtung in Schaltnetzteilen, als Freilaufdiode und als Verpolschutz für Batterien.
Kombination
Für schnelle Anwendungen mit hoher Sperrspannung werden SiC-Schottky-Dioden oder Fast-Recovery-Dioden mit Lebensdauerkontrolle gewählt. Es gibt auch Dioden mit JBS-Struktur, die PN- und Schottky-Übergang kombinieren und so Leckstrom und Flussspannung ausbalancieren.

Häufige Fragen

Warum ist die Flussspannung einer Schottky-Diode niedrig?

Der Strom durch thermionische Emission über die Schottky-Barriere hat einen um Größenordnungen höheren Sättigungsstrom als der Diffusionsstrom eines PN-Übergangs, sodass derselbe Strom bei niedrigerer Spannung fließt. Die Barrierenhöhe hängt vom Metall ab: Je niedriger die Barriere, desto niedriger die Flussspannung, desto größer aber auch der Sperrleckstrom.

Warum hat eine Schottky-Diode praktisch keine Sperrverzögerung?

Der Strom wird nur von Majoritätsladungsträgern getragen, und anders als beim PN-Übergang werden keine Minoritätsladungsträger injiziert und gespeichert. Beim Umschalten in Sperrrichtung fließt nur der Strom zum Umladen der Sperrschichtkapazität, sodass Schaltverluste und Störungen gering bleiben.

Warum gibt es kaum Silizium-Schottky-Dioden mit hoher Sperrspannung?

Für eine hohe Sperrspannung ist eine dicke, niedrig dotierte Driftschicht nötig. Da Schottky-Dioden keine Leitfähigkeitsmodulation haben, addiert sich deren Widerstand voll zum Spannungsabfall in Durchlassrichtung. Zudem steigt der Leckstrom, daher sind bei Silizium etwa 200 V üblich. Mit SiC und seiner hohen kritischen Feldstärke lassen sich mit einer dünnen Driftschicht Sperrspannungen von 600 V und mehr erreichen.

Worauf ist beim Einsatz von Schottky-Dioden bei hohen Temperaturen zu achten?

Der Sperrleckstrom steigt mit der Temperatur steil an. Erhöht die durch den Leckstrom erzeugte Wärme die Temperatur weiter, kann es zum thermischen Durchgehen kommen. Daher sollte man den Leckstrom bei hohen Temperaturen im Datenblatt prüfen und bei Kühlung und Sperrspannung Reserven einplanen.

Verständnis prüfen

Welche Durchlassspannung (ungefähre Spannung, ab der Strom zu fließen beginnt) hat eine übliche Silizium-PN-Diode?

  1. AEtwa 3 V
  2. BEtwa 0,1 V
  3. CEtwa 0,6 bis 0,7 V
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Antwort: C. Etwa 0,6 bis 0,7 V

Eine Siliziumdiode beginnt oberhalb von etwa 0,6 bis 0,7 V, einen großen Strom zu führen. Das ist ein Richtwert für die Spannung, bei der bei Raumtemperatur ein praxistauglicher Strom (in der Größenordnung mA) fließt, und sie ist umso höher, je größer die Bandlücke des Materials ist. Schottky-Dioden haben etwa 0,2 bis 0,4 V, SiC-Schottky-Dioden etwa 1 bis 1,5 V (SiC-PN-Übergänge etwa 2,5 bis 3 V) und blaue LEDs auf GaN-Basis etwa 3 V. Der Verlust bei der Gleichrichtung beträgt „Durchlassspannung × Strom“, weshalb bei Netzteilen für große Ströme ein niedriges VF wichtig ist.

Welches Merkmal von Schottky-Dioden ist richtig?

  1. AEs ist eine Diode aus dem Übergang zweier p-Halbleiter
  2. BSie nutzt den Übergang zwischen Metall und Halbleiter, hat eine niedrige Durchlassspannung und schaltet schnell
  3. CSie leuchtet stark, wenn in Durchlassrichtung Strom fließt
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Antwort: B. Sie nutzt den Übergang zwischen Metall und Halbleiter, hat eine niedrige Durchlassspannung und schaltet schnell

Eine Schottky-Diode nutzt den Übergang zwischen Metall und Halbleiter (Schottky-Kontakt) und arbeitet allein mit Majoritätsträgern. Da sich keine Minoritätsträger ansammeln, gibt es kaum Sperrerholung und sie ist schnell; die Durchlassspannung ist mit etwa 0,2 bis 0,4 V niedriger als beim PN-Übergang, weshalb sie zur Gleichrichtung in Schaltnetzteilen verwendet wird. Schwächen sind der größere Sperrleckstrom, der bei hohen Temperaturen leicht zunimmt; bei Silizium liegt die Sperrspannung bei höchstens etwa 200 V, bei SiC sind auch Typen der 1-kV-Klasse im Einsatz.

Was ist die Ursache dafür, dass beim Umschalten einer PN-Diode von Durchlass- auf Sperrrichtung kurzzeitig ein Strom in Sperrrichtung fließt (Sperrverzögerungszeit)?

  1. AWeil der Widerstand der Metallelektroden groß ist
  2. BWeil im Durchlassbetrieb angesammelte Minoritätsträger nicht sofort verschwinden
  3. CWeil sich das Gehäuse erwärmt
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Antwort: B. Weil im Durchlassbetrieb angesammelte Minoritätsträger nicht sofort verschwinden

Während der Leitung in Durchlassrichtung sind auf beiden Seiten des Übergangs injizierte Minoritätsträger angesammelt. Auch nach dem Umschalten in Sperrrichtung fließt Strom in Sperrrichtung, bis diese abgezogen sind oder durch Rekombination verschwinden. Diese Zeit ist die Sperrverzögerungszeit (trr), und der Sperrerholungsstrom verursacht Verluste und Rauschen. Als Gegenmaßnahmen dienen schnelle Dioden (Fast Recovery) mit gesteuerter Lebensdauer sowie Schottky- und SiC-Dioden, die keine Minoritätsträger nutzen.

  1. Welche Aussage über die Sperrverzögerungszeit trr im Datenblatt einer Diode ist richtig?
  2. Was ist der Hauptvorteil von SiC-Schottky-Barrier-Dioden als Freilaufdioden z. B. in Wechselrichtern?
  3. Was ist der Zweck eines Transistors mit parallel zwischen Basis und Kollektor geschalteter Schottky-Barrierendiode (Schottky-Klemmung)?

Übungsfragen zu PN-Übergang und Diode

Wichtige Begriffe erklärt

Schottky-Diode
Diode mit einem Metall-Halbleiter-Übergang (Schottky-Kontakt). Sie hat eine niedrige Durchlassspannung und kann wegen fehlender Minoritätsträgerspeicherung schnell schalten.
Sperrverzögerungszeit
Zeit, in der nach Anlegen einer Sperrspannung an eine leitende Diode so lange Strom in Sperrrichtung fließt, bis die gespeicherten Minoritätsträger abgebaut sind. Ursache von Schaltverlusten und Störungen.
Durchlassvorspannung (Vorwärtsspannung)
Anlegen von Plus an der p-Seite und Minus an der n-Seite. Die Barriere sinkt, und es fließt gut Strom. Bei umgekehrter Polung spricht man von Sperrvorspannung, und es fließt kaum Strom.
Leitfähigkeitsmodulation
Phänomen, bei dem viele Minoritätsträger in eine niedrig dotierte Schicht injiziert werden und deren Widerstand stark sinkt. Wird bei PIN-Dioden und IGBTs genutzt, um hohe Sperrspannung und niedrige Durchlassspannung zu vereinen.
Austrittsarbeit
Energiedifferenz zwischen Vakuumniveau und Fermi-Niveau, also die minimale Energie, die zum Herauslösen eines Elektrons aus einem Material nötig ist. Sie beeinflusst die Schwellenspannung von Metallgates und die Höhe der Schottky-Barriere.

Verwandte Vergleiche