Nederlands
Menu

PN-diode versus Schottkydiode: Vf, sperherstel en lekstroom

Een PN-diode richt gelijk met een junctie tussen p-type en n-type halfgeleider, een Schottkydiode met een junctie tussen metaal en halfgeleider. In een PN-junctie worden in doorlaatrichting minderheidsladingsdragers geïnjecteerd en opgeslagen, waardoor bij het omschakelen naar sperrichting een sperherstelstroom vloeit. Een Schottkydiode werkt alleen met meerderheidsladingsdragers en heeft daardoor vrijwel geen sperherstel; in silicium is de doorlaatspanning met ongeveer 0,2 tot 0,4 V ook lager dan de ongeveer 0,6 tot 0,7 V van een PN-junctie. Daar staat tegenover dat de lekstroom in sperrichting groot is en dat in silicium een hoge doorslagspanning moeilijk haalbaar is.

KenmerkPN-diodeSchottkydiode
StructuurJunctie tussen p-type en n-type halfgeleiderJunctie tussen metaal en halfgeleider (meestal n-type) (Schottky-junctie)
Ladingsdragers die de stroom voerenGeïnjecteerde minderheidsladingsdragers. Zowel elektronen als gaten zijn betrokkenAlleen meerderheidsladingsdragers. De stroom vloeit door thermionische emissie over de barrière
Doorlaatspanning (silicium, indicatief)Ongeveer 0,6 tot 0,7 VOngeveer 0,2 tot 0,4 V. Hangt af van het metaal en de doorslagspanning
SperherstelAanwezig. Er vloeit sperstroom tot de opgeslagen minderheidsladingsdragers verdwenen zijn. Bij gewone gelijkrichtdiodes in de orde van µs, bij fast-recoverytypes enkele tientallen nsVrijwel afwezig. Alleen de laad- en ontlaadstroom van de junctiecapaciteit vloeit
Lekstroom in sperrichtingKleinGroot. Hoe lager de barrière, hoe groter
Doorslagspanning (silicium, indicatief)Hoge doorslagspanningen zijn goed haalbaar, tot in de orde van enkele kVTot ongeveer 200 V. In SiC zijn typen van 600 tot 1700 V in gebruik
Spanningsval bij hoge stroom (hoogspanningstypen)Geleidbaarheidsmodulatie verlaagt de weerstand van de laaggedoteerde laag, zodat de spanningsval beperkt blijftGeen geleidbaarheidsmodulatie; de weerstand van de driftlaag telt volledig mee
TemperatuurgedragDe doorlaatspanning daalt met ongeveer −2 mV/°C. De lekstroom neemt toe met de temperatuurDe lekstroom stijgt sterk met de temperatuur; let op thermische runaway. De doorlaatspanning daalt met de temperatuur
Belangrijkste toepassingenGelijkrichting van netspanning, hoogspanningsgelijkrichting, algemene beveiligings- en signaalschakelingenGelijkrichting van lage spanning en hoge stroom in schakelende voedingen, vrijloopdiodes, ompoolbeveiliging, hf-detectie

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

PN-diode
Bij gelijkrichting met een hoge sperspanning, of wanneer de lekstroom ook bij hoge temperatuur klein moet blijven. Gebruikt voor gelijkrichting van netspanning en in hoogspanningsschakelingen.
Schottkydiode
Bij het gelijkrichten van grote stromen bij lage spanning of bij snel schakelen. Gebruikt voor de uitgangsgelijkrichting van schakelende voedingen, als vrijloopdiode en als beveiliging tegen het verkeerd aansluiten van een batterij.
Combinatie
Voor toepassingen die zowel een hoge doorslagspanning als snelheid vragen, worden SiC-Schottkydiodes of fast-recoverydiodes met levensduurcontrole gekozen. Er zijn ook diodes met een JBS-structuur, die PN- en Schottky-juncties combineren om een balans te vinden tussen lekstroom en doorlaatspanning.

Veelgestelde vragen

Waarom is de doorlaatspanning van een Schottkydiode laag?

De stroom door thermionische emissie over de Schottky-barrière heeft een verzadigingsstroom die ordes van grootte groter is dan die van de diffusiestroom in een PN-junctie, zodat dezelfde stroom bij een lagere spanning vloeit. De barrièrehoogte hangt af van het metaal: hoe lager de barrière, hoe lager de doorlaatspanning, maar hoe groter de lekstroom in sperrichting.

Waarom heeft een Schottkydiode vrijwel geen sperherstel?

De stroom wordt alleen door meerderheidsladingsdragers gevoerd, en er worden geen minderheidsladingsdragers geïnjecteerd en opgeslagen zoals in een PN-junctie. Bij het omschakelen naar sperrichting vloeit alleen de stroom die de junctiecapaciteit laadt en ontlaadt, zodat schakelverliezen en ruis klein blijven.

Waarom zijn er weinig Schottkydiodes van silicium met een hoge doorslagspanning?

Voor een hogere doorslagspanning is een dikke, laaggedoteerde driftlaag nodig, en omdat een Schottkydiode geen geleidbaarheidsmodulatie heeft, telt de weerstand daarvan volledig mee in de spanningsval in doorlaatrichting. Ook de lekstroom wordt groter, dus in silicium is ongeveer 200 V gebruikelijk als bovengrens. Met SiC, dat een hoog kritisch veld heeft, is met een dunne driftlaag een doorslagspanning van 600 V of meer haalbaar.

Waar moet je op letten bij gebruik van een Schottkydiode bij hoge temperatuur?

De lekstroom in sperrichting neemt sterk toe met de temperatuur. Als de warmte door de lekstroom de temperatuur verder opdrijft, kan dat leiden tot thermische runaway. Controleer daarom de lekstroom bij hoge temperatuur in de datasheet en houd marge in koeling en sperspanning.

Test uw begrip

Wat is de voorwaartse spanning (de ongeveer spanning waarbij stroom begint te vloeien) van een gebruikelijke silicium-pn-junctiediode?

  1. Aca. 3 V
  2. Bca. 0,1 V
  3. Cca. 0,6 tot 0,7 V
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. ca. 0,6 tot 0,7 V

Een siliciumdiode laat boven ca. 0,6 tot 0,7 V een grote stroom vloeien. Dit is een maat voor de spanning waarbij bij kamertemperatuur een praktische stroom (orde mA) vloeit, en is hoger naarmate het materiaal een grotere bandkloof heeft. Schottkydiodes hebben ca. 0,2 tot 0,4 V, SiC-schottkydiodes ca. 1 tot 1,5 V (pn-juncties in SiC ca. 2,5 tot 3 V) en blauwe LED’s op GaN-basis ca. 3 V. Het verlies bij gelijkrichting is “voorwaartse spanning × stroom”, dus bij voedingen met grote stroom wordt een lage VF belangrijk gevonden.

Welke uitspraak over de kenmerken van een Schottkydiode is juist?

  1. AHet is een diode die is gevormd door twee p-type halfgeleiders te verbinden
  2. BZe maakt gebruik van een metaal-halfgeleiderjunctie en heeft een lage voorwaartse spanning en snel schakelgedrag
  3. CZe zendt sterk licht uit bij voorwaartse stroom
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Ze maakt gebruik van een metaal-halfgeleiderjunctie en heeft een lage voorwaartse spanning en snel schakelgedrag

Een Schottkydiode maakt gebruik van een metaal-halfgeleiderjunctie (Schottkyjunctie) en werkt uitsluitend met meerderheidsladingdragers. Omdat er geen opslag van minderheidsladingdragers is, is er vrijwel geen reverse recovery en is ze snel, en met een voorwaartse spanning van ca. 0,2 tot 0,4 V is die lager dan bij een pn-junctie, waardoor ze wordt gebruikt voor gelijkrichting in schakelende voedingen. Nadelen zijn de grote lekstroom in sperrichting, die bij hoge temperatuur gemakkelijk toeneemt; bij silicium is de doorslagspanning beperkt tot ca. 200 V, maar bij SiC zijn ook types van 1 kV praktisch toepasbaar.

Wat is de oorzaak dat er bij het omschakelen van een pn-junctiediode van voorwaartse naar sperrichting korte tijd een stroom in sperrichting vloeit (er is een reverse-recoverytijd)?

  1. AOmdat de weerstand van de metalen elektrode groot is
  2. BOmdat de bij voorwaartse geleiding opgeslagen minderheidsladingdragers niet direct verdwijnen
  3. COmdat de behuizing warm wordt
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Omdat de bij voorwaartse geleiding opgeslagen minderheidsladingdragers niet direct verdwijnen

Tijdens voorwaartse geleiding zijn aan beide zijden van de junctie geïnjecteerde minderheidsladingdragers opgeslagen. Ook na omschakelen naar sperrichting blijft er een stroom in sperrichting vloeien totdat ze zijn weggetrokken of door recombinatie zijn verdwenen. Deze tijd is de reverse-recoverytijd (trr), en de reverse-recoverystroom veroorzaakt verlies en ruis. Als tegenmaatregel worden fast-recoverydiodes met levensduurregeling en Schottky- of SiC-diodes zonder minderheidsladingdragers gebruikt.

  1. Wat is juist over de sperhersteltijd trr in de datasheet van een diode?
  2. Wat is het belangrijkste voordeel van een SiC-Schottkydiode als vrijloopdiode in bijvoorbeeld omvormers?
  3. Wat is het doel van een transistor met een parallel tussen basis en collector geplaatste schottky-barrièrediode (schottkyklem)?

Oefenvragen over PN-overgang en diode

Belangrijke termen uitgelegd

Schottky-barrièrediode
Diode die een metaal-halfgeleiderovergang (Schottky-overgang) gebruikt. Lage voorwaartse spanning en geen opslag van minderheidsladingdragers, waardoor snel schakelen mogelijk is.
Sperherstelltijd (reverse recovery time)
Tijd waarin, nadat een geleidende diode een sperspanning krijgt, nog een stroom in sperrichting blijft lopen totdat de opgeslagen minderheidsladingdragers verdwenen zijn. Veroorzaakt schakelverliezen en ruis.
Voorwaartse voorspanning (forward bias)
Een positieve spanning aan de p-kant en een negatieve aan de n-kant. De barrière wordt lager en er loopt gemakkelijk stroom. In omgekeerde richting spreekt men van sperrichting (reverse bias), waarbij nauwelijks stroom loopt.
Geleidbaarheidsmodulatie
Verschijnsel waarbij veel minderheidsladingdragers in een laag met lage dotering worden geïnjecteerd en de weerstand van die laag sterk daalt. Wordt gebruikt in PIN-diodes en IGBT's om hoge doorslagspanning te combineren met een lage aan-spanning.
Uittreearbeid
Energieverschil tussen het vacuümniveau en het Fermi-niveau; de minimale energie om een elektron uit een materiaal los te maken. Bepaalt onder meer de drempelspanning van metal gates en de hoogte van de schottkybarrière.

Verwante vergelijkingen