Schottky-Diode Halbleiter Erklärung
Einleitung
Die Schottky-Diode kann als Weiterentwicklung der normalen PN-Diode gesehen werden.
Dabei macht sie sich die Eigenschaft zunutze, welche auftritt, wenn man Halbleiter und Metall zusammenfügt. In diesem Beitrag fokussieren wir uns speziell auf das Verhalten / die Funktion auf Halbleiterebene.
Die Grundlagen der Schottky-Diode sind hier zu finden:
⇨ Grundlagen der Schottky-Diode
Allgemeiner Aufbau
Grob erklärt besteht die Schottky-Diode aus Metall und einem dotierten Halbleiter. Beides wird zusammengefügt und bildet so die Schottky-Diode. Diese kann entweder aus einem Metall und einem N-Halbleiter bestehen oder aus einem Metall und einem P-Halbleiter. Ersteres ist die typische Variante. Die Schottky-Diode basiert auf einem sogenannten Schottky-Kontakt. Hiermit beschäftigen wir uns aber im Laufe des Artikels genauer.
Thermisches Gleichgewicht – Halbleiteraufbau und Funktion
Wie auch bei der normalen PN-Diode bildet sich auch bei der Schottky-Diode eine Verarmungszone im thermischen Gleichgewicht. Liegt also keine Spannung bzw eine geringe Spannung an der Diode an, kann kein Strom durch sie fließen.
Beim Zusammenfügen beider Materialien bewegen sich ein paar Elektronen vom Halbleiter zum Metall. Zurück bleiben die Donatoren (die ionisierten Störstellen). Es entsteht eine Raumladungszone.
Dies hat zur Folge, dass sich an der Grenze der Halbleiter gegenüber dem Metall auflädt. Es entsteht wie beim PN-Übergang eine Spannung. Durch die Spannung können auch keine weiteren Elektronen vom N-Dotierten-Gebiet ins Metall übergehen. (Im Bändermodell durch den Anstieg zu sehen). Man spricht von einer Barriere.
Der N-Halbleiter lädt sich gegenüber dem Metall um die Spannung Uk auf. Diese Spannung Uk verhindert.
Bringt man Metall und P-Halbleiter zusammen, gehen somit Elektronen vom Metall in den P-Halbleiter über. Sie diffundieren in den P-Halbleiter, weil die Austrittsarbeit des Metalls geringer ist.
Die Elektronen des Metalls setzen sich in die freien Löcher des P-Halbleiters. Somit entsteht an der Grenze beim P-Halbleiter eine Verarmungszone mit nicht kompensierten negativen Raumladungen. (Wie beim N-HL nur eben negativ).
Bändermodell – thermisches Gleichgewicht
Wie bereits erklärt, besteht die Schottky-Diode aus Metall und einem dotierten Halbleiter. Um zu verstehen, wie genau die Schottky-Diode funktioniert, hilft es, diese mit dem Bändermodell zu betrachten.
⇨ Was ist das Bändermodell?
⇨ Bändermodell der PN-Diode
Die Schottky-Diode basiert auf einem sogenannten Schottky-Kontakt. Das bedeutet, Metall und Halbleiter müssen ganz bestimmte Eigenschaften aufweisen, damit ein solcher Schottky-Kontakt gegeben ist.
Hierfür werden beide Materialien zunächst getrennt voneinander betrachtet.
Liegt ein Metall und ein N-Halbleiter vor, muss die Fermi-Energie des Metalls niedriger sein als die Fermi-Energie des N-Dotierten Halbleiter. Das bedeutet, die Austrittsarbeit des Metalls ist größer als die des Halbleiters. Wm > Wh
Wenn der Schottky-Kontakt auf einem P-Halbleiter und einem Metall basiert, muss die Austrittsarbeit des Halbleiters größer sein als die Austrittsarbeit des Metalls. Wm < Wh
Thermisches Gleichgewicht
Fügt man nun Metall und Halbleiter zusammen, gleichen sich die Fermi-Niveaus an. Hierdurch biegen sich die Bandverläufe im Bändermodell. Elektronen vom N-Halbleiter gehen in das Metall über – sie diffundieren in das Metall. Im Bändermodell bedeutet dies, Metall geht hoch und N-Halbleiter runter.
Bei der Version mit P-Halbleiter, gehen Elektronen vom Metall in den P-Halbleiter über. Sie diffundieren in den P-Halbleiter, weil die Austrittsarbeit des Metalls geringer ist.
Die Elektronen des Metalls setzen sich in die freien Löcher des P-Halbleiters. Unten dargestellt, im Bändermodell bedeutet dies, das Metall geht runter und der P-Halbleiter hoch.
Durch die Biegung entsteht eine Barriere, eine Art Sperre, über welche Elektronen nicht ohne Weiteres fließen können. Dies ist unsere gewünschte Funktion, so wie bei der normalen PN-Diode. Im thermischen Gleichgewicht soll die Diode keinen Strom durchlassen. (Raumladungszone)
Die Schottky-Diode mit N-Halbleiter zeigt auch im Bändermodell diese Barriere. Wie aus den Grundlagen bekannt, verhalten sich die Elektronen wie Bälle. Sie können also keine Barriere hochrollen. Wie im Bändermodell zu sehen, können im thermischen Gleichgewicht die Elektronen nicht nach oben über die Barriere rollen. Es fließt also kein Strom.
Beim P-Halbleiter bildet sich im thermischen Gleichgewicht ebenfalls eine Barriere. Die Löcher verhalten sich wie Luftblasen und steigen nach oben. Durch die Barriere können sie sich somit nicht bewegen. Das bedeutet, es kann kein Strom fließen.
Durch Anlegen einer Spannung kann die Barriere verstärkt oder abgeschwächt werden.
Schottky-Diode in Flussrichtung
Legt man die Schottky-Diode in Flussrichtung bedeutet das folgendes:
An die dotierte N-Schicht wird der -Pol der Quelle gelegt.
An das Metall wird der +Pol der Quelle gelegt.
Hierdurch wird der N dotierte Halbleiter mit Elektronen geflutet. Die Elektronen fluten dann die Verarmungszone, wodurch diese abgebaut wird und es dann zu einem Elektronenfluss durch den Halbleiter kommt.
Damit die Schottky-Diode mit P dotiertem Halbleiter in Flussrichtung geht, muss die Quelle andersherum angelegt werden. -Pol an das Metall und +Pol an den P dotierten Halbleiter. Der +Pol flutet den P-Halbleiter mit Löchern. Die Raumladungszone wird also mit Löchern geflutet und somit abgebaut. Die Elektronen des Metalls diffundieren in den P-Halbleiter. So kommt es zu einem Stromfluss.
Bändermodell
Im Folgenden schauen wir uns das Bändermodell der Schottky-Diode in Flussrichtung an.
Wie beschrieben wird der -Pol an den N-Halbleiter und der +Pol an das Metall angeschlossen. Wie immer beim Bändermodell wird durch den -Pol das Bändermodell hochgezogen und das Bändermodell am +Pol heruntergezogen. In diesem Fall wird bei der Schottky-Diode die Barriere abgebaut und zu einem Durchgang für die Elektronen. Wie beschrieben verhalten sich die Elektronen wie Bälle. Nun können sich die Elektronen vom -Pol zum +Pol bewegen und den Durchgang “herunter rollen”. Ein Stromfluss entsteht.
Bei der Schottky-Diode mit P-Halbleiter wird, wie erklärt andersherum angeschlossen um in den Flussbereich zu gehen. Auch hier bewegt der +Pol runter und der -Pol hoch. Die Barriere für die Löcher wird auch hier abgebaut und ein Durchgang entsteht. Die Löcher verhalten sich wie Luftblasen und steigen hoch. Somit können sich diese vom +Pol zum -Pol bewegen. Ein Stromfluss entsteht.
Schottky-Diode in Sperrrichtung
Wird die Schottky-Diode in Sperrrichtung betrieben, fließt ideal kein Strom durch die Diode.
Bei der Schottky-Diode mit N-Halbleiter muss hierfür der -Pol an das Metall und der +Pol an den N-Halbleiter angeschlossen werden.
Der +Pol zieht die Elektronen aus dem N-Halbleiter. Hierdurch vergrößert sich die Raumladungszone. Durch die Diode kann deshalb auch kein Strom fließen.
Die Schottky-Diode mit P-Halbleiter wird andersherum für den Sperrbetrieb angeschlossen. Der + Pol an das Metall und der -Pol an den P-Halbleiter. Hier zieht der -Pol aus dem P-Halbleiter die Löcher. Auch hier vergrößert sich die Verarmungszone, wodurch auch hier kein Strom durch die Diode fließt.
Bändermodell
Nun schauen wir uns das Bändermodell der Schottky-Diode an. Bei der Schottky-Diode mit N-Halbleiter kommt an den N-Halbleiter der +Pol und an das Metall der -Pol. Wie immer: Der -Pol zieht das Bändermodell hoch und der +Pol zieht es runter. Dadurch vergrößert sich die Barriere. Die Elektronen verhalten sich wie Bälle und können aus dem N-Halbleiter nicht zum +Pol rollen, da eine Barriere besteht.
Die Schottky-Diode mit P-Halbleiter wird für den Sperrbetrieb der Quelle andersherum angeschlossen. Auch hier bewegt der +Pol runter und der -Pol hoch. Somit vergrößert sich auch hier die Barriere. Die Löcher verhalten sich wie Luftblasen und können somit nicht vom +Pol zum -Pol fließen, da hier die Barriere besteht.
Sperrstrom
Wird die Schottky-Diode gesperrt, können eigentlich keine Elektronen vom Metall in den N-Halbleiter fließen. Grund dafür ist die Barriere. Nur sehr energiereiche Elektronen können die Barriere überwinden und diese bilden den Sperrstrom. Daher ist der Sperrstrom bei der Schottky-Diode auch stark von der Sperrspannung abhängig.