Schottky-Dioden Wirkungsweise, Anwendungsgebiete, Daten
1. Einführung
An Stelle von PN-Halbleiterübergängen (Bild 1a) werden in Schottky-Dioden Metall-Halbleiterübergänge zur Gleichrichtung verwendet. Der Leitungsmechanismus solcher Punktkontakt-Dioden wurde 1939 von W. Schottky erklärt, nachdem von F. Braun bereits im Jahre 1874 ein solcher Kristallgleichrichter mit einer federnden Kontaktspitze entwickelt wurde (Bild 1b). In den 40er-Jahren wurde die Fertigung solcher Dioden bei der Firma Siemens + Halske aufgenommen, da infolge der sehr dünnen Sperrschicht Laufzeiteffekte bis in das Zentimeterwellengebiet nicht in Erscheinung treten.
Bild 1: Prinzipdarstellung einer PN-Flächendiode (a), einer Spitzendiode (b) end einer Schottky-Epitaxial-Planardiode (c)
Bessere mechanische und elektrische Eigenschaften besitzen Schottky-Dioden mit flächenhaftem Metall-Halbleiterkontakt (Bild 1c). Hersteller in den USA bezeichnen diese Dioden als Schottkybarrier-Dioden oder als Hot-carrier-Dioden, abgekürzt HCD = Diode mit "heißen" - energiereichen Ladungsträgern. "Heiße" Elektronen weisen höhere Geschwindigkeiten auf als die thermischen Elektronen im PN-Halbleiter(1).
In Epitaxial-Planartechnik gefertigte Schottky-Dioden werden auch als ESBAR-Dioden (EpitaxieSchottky-BARrier-Diode) bezeichnet. Sie können durch Wahl der Schichtdicke und Trägerkonzentration optimal für maximalen Gleichrichterwirkungsgrad bzw. für minimale Mischverluste und maximale Belastung ausgelegt werden.
2. Wirkungsweise und Aufbau
Als Grundmaterial für Schottky-Dioden kann P- oder N-dotiertes Halbleitermaterial verwendet werden. Der Ladungsträgertransport erfolgt fast ausschließlich durch Majoritätsträger, wodurch das Hochfrequenzverhalten günstig beeinflußt wird, da die bei PN-Dioden auftretenden Ladungsspeichereffekte entfallen.
Majoritätsträger sind die im dotierten Halbleitermaterial in der Überzahl vorhandenen beweglichen Ladungsträger. Im N-Material sind dies die freien Elektroden, im P-Material die Löcher. Gegenteil: Minoritätsträger, d. h. die in der Minderheit vorhandenen Ladungsträger.
Wird eine Schottky-Diode mit N-Halbleitermaterial in Flußrichtung betrieben, so bauen einströmende Ladungsträger die Potentialschwelle ab. Vom N-Material werden in großer Zahl Majoritätsträger (hier Elektronen) zum Metallkontakt injiziert, während nur wenige Minoritätsträger (Löcher) vom Metall in das N-Material einströmen.
Da die Minoritätsträger fast völlig fehlen, tritt praktisch keine Ladungsspeicherung auf (vgl. auch den Beitrag über Speicherschaltdioden in (2), bei denen der Ladungsspeichereffekt gezielt zur Erzeugungvon Oberwellen in Frequenzvervielfacher- Schaltungen ausgenutzt wird). Hierdurch wird die Speicherzeit bis in den Bereich von nur wenigen Nanosekunden reduziert, wodurch die Dioden in extrem kurzer Zeit vom Durchlaß- in den Sperrzustand übergehen können. Diese Eigenschaft bedeutet, daß sich Schottky-Dioden als "schnelle" Schalter in der Digitaltechnik, sowie als Demodulatoren und Mischer bis in das Mikrowellengebiet verwenden lassen.
Den prinzipiellen Aufbau eines Epitaxial-Planar-Schottky-Dioden-Chips zeigt Bild 1c. Es besteht aus einer niedrig dotierten (0,2 bis 0,3 Ω cm), etwa 0,25 bis 0,5 µm dicken Epitaxieschicht, die man auf einer hoch dotierten N+-Siliziumscheibe aufwachsen läßt(5). Neben N-Silizium wird ebenfalls N-Gallium-Arsenid verwendet (3). Mit Epitaxie wird eine orientierte Verwachsung zweier Kristallarten bezeichnet. Auf einem Wirtskristall läßt man orientiert einen zweidimensionalen Keim eines Gastkristalles anwachsen. Das bedeutet bei den meisten Kristallen, daß alle kristallografischen Richtungen übereinstimmen. In der Halbleitertechnik wird als Epitaxialschicht eine dünne (z.B. 5 µm) einkristalline, schwach dotierte Kristallschicht bezeichnet, die man auf ein hoch dotiertes, dickeres Kristallplättchen (Trägerkristall) aufwachsen läßt.
Der Metallkontakt wird meist aufgedampft. Niedrige Schwellenspannungen liefern Vanadium, Nickel oder Titan auf Silizium, noch niedrigere Schwellenspannungen (etwa 0,3 V) Gold-Germanium auf N-Typ-Gallium-Arsenid.
Die Diodenchips werden in Glas- oder Keramikgehäusen untergebracht. Für den Einsatz im Höchstfrequenzgebiet verwendet man Koaxialgehäuse oder für Streifenleitungskreise Striplineoder Mikrostrip-Gehäuse.
3. Kenndaten
3.1. Kennlinien und Kennwerte
In Bild 2 sind die IF/UF - und die IR/UR - Kennlinien einer Schottky-Planar-Diode (BAX 25), von zwei Spitzendioden (OA95, AAY27) und einer PN-Flächendiode (BAX13) dargestellt.
Bild 2: Strom-Spannungskennlinien de Schottky-Diode BAX25, der Spitzendioden AAY27, OA95, sowie der PN-Flächendiode BAX13.
Bild 3 zeigt die Ersatzschaltung einer Schottky-Diode. Die Diode kann man durch den nichtlinearen Widerstand Ri der Sperrschicht darstellen, dem die Sperrschichtkapazität Cj parallel liegt. In Serie liegt der Verlustwiderstand RS. Bei höheren Frequenzen im Mikrowellengebiet wird das Nutzsignal durch die Kapazität Cj weitgehend kurzgeschlossen. Da die Kapazität Cj wegen der Reihenschaltung mit RS nicht durch die Schwingkreisinduktivität weggestimmt werden kann, muß Cj möglichst klein gehalten werden, damit der Gleichrichter-Wirkungsgrad möglichst wenig herabgesetzt wird.
Bild 3: Ersatzschaltung einer Schottky-Diode
Charakterisiert werden Gleichrichter-Dioden durch die Signal-Empfindlichkeit. Das ist der Betrag von verfügbarer Signalleistung in dB bezogen auf 1 mW, um ein spezifiziertes Signal-RauschVerhältnis zu erzeugen.
Die tangentiale Signalempfindlichkeit TSS (tangential sensitivity) ist eine direkte Messung der Signal-Rauschspannung in einer Gleichrichtereinheit. Die Messung wird mit einem Impulssignal ausgeführt. Zunächst wird der Rauschpegel ohne Eingangssignal auf einem Oszillografenschirm festgestellt. Dann wird die Impulsamplitude so weit erhöht, bis der überlagerte Rauschpegel gleich groß wird. Der so bestimmte Rauschpegel liefert den TSS-Wert, der etwa einem Signal-RauschVerhältnis von 2,5 entspricht.
Teilweise werden in den Datenblättern auch andere Begriffe verwendet. Z. B. MDS - Minimum detectable signal, NDS- Nominal detectable signal, NEP - Noise equivalent power.
3. 2. Gleichrichterkennwerte
Die Empfindlichkeit eines Kleinsignal-Gleichrichters ist abhängig vom Gleichrichter-Wirkungsgrad, der Ausgangsimpedanz sowie von den Rauschverhältnissen der Diode. Betrieben werden Gleichrichterdioden mit und ohne Vorspannung in Flußrichtung. Bei Polung in Flußrichtung wird der Videowiderstand Rvideo verringert, die Bandbreite sowie die Empfindlichkeit werden erhöht.
Die Abhängigkeit zwischen der tangentialen Signalempfindlichkeit TSS und der Vorspannung in Flußrichtung zeigt Bild 4(3).
Bild 4: Tangentiale Empfindlichkeit einer Schottky Gleichrichterdiode in Abhängigkeit der Dioden-vorspannung in Flußrichtung nach(3).
3.3. Mischerkennwerte
Die Mischverluste hängen ab von der Diodensperrschicht und den parasitären Effekten des Diodengehäuses, der Fehlanpassung des Signals bedingt durch den Serienwiderstand RS (etwa 10 Ω), der Sperrschichtkapazität Cj (etwa 0,1 bis 0,2 pF) und der Anpassung des Mischereinganges und des Mischerausganges. Die Begrenzung der Empfindlichkeit eines Mikrowellenempfängers resul - tiert außerdem daraus, daß beim Mischvorgang nur ein Teil der angebotenen Signalleistung in ZF-Leistung umgesetzt wird.
Weiterhin erzeugt der Mischer selbst eine Rauschleistung, die vom Mischeroszillator geliefert wird (vgl. Bild 5(3)). Mischverluste und Rauschen kennzeichnen daher die Mischdiode für Empfangszwecke.
Bild 5: Rauschzahl in Abhänigkeit von der Leistung des Überlagrungsoszillators für Punkt-Kontakt-Dioden und Schottky-Dioden(3)
4. Typenzusammenstellung
Ein umfassendes Typenprogramm von Schottky-Dioden für allgemeine Anwendungen und für Mikrowellenzwecke wird von der Firma Hewlett-Packard angeboten. Nachfolgend sind die Kurzdaten einiger als Beispiel herausgegriffener Schottky-Dioden zusammengestellt. Zunächst zwei Vertreter der allgemein anwendbaren Typenreihe hp 5082-2800. Nachfolgend einige Typen für den Frequenzbereich von 1 GHz bis 16 GHz. Sie werden als Einzeldioden, als Diodenpaare und als Diodenquartette geliefert. Weiterhin sind die Kennwerte einer speziellen Demodulatordiode zusammengestellt.
| Serie 5082 | UBr bei IR = 10µA | IFmin bei UF ≤ 1 V | IRmax | Τmax | CTmax bei UR = 0 V |
|---|---|---|---|---|---|
| 2800 | 70 V | 15 mA | 200 nA | 100 ps | 2 pF |
| 2811 | 15 V | 20 mA | 100 nA | 100 ps | 1,2 pF |
| Testfrequenz | Serie 5082 | NFmax | VSWRmax | ZZFmax |
|---|---|---|---|---|
| 1 GHz | 2817 | 6 dB | 1,3 | 250 - 400 Ω |
| 2 GHz | 2827 | 6 dB | 1,3 | 250 - 400 Ω |
| 3 GHz | 2565 | 6 dB | 1,5 | 100 - 250 Ω |
| 16 GHz | 2723 | 6,5 dB | 1,5 | 175 - 300 Ω |
| Meßfrequenz | Serie 5082 | TSSmin | RVideo | Empfindlichkeit |
|---|---|---|---|---|
| 2 GHz | 2084 | -56 dB | 1,2 - 1,5 kΩ | 6 mV/µW |
| NF | Rauschzahl |
| VSWR | Stehwellenverhältnis |
| ZZF | ZF-Impedanz bei f = 30 MHz |
| UBr | Durchbruchspannung |
| Τ | Minoritätsträger- Lebensdauer |
| IF | Strom in Fluß-(Durchlaß-)Richtung |
| UF | Flußspannung |
| IR | Sperrstrom |
| TSS | Tangentiale Signalempfindlichkeit |
Schottky-Dioden für sehr schnelle Schalter- und für HF-Anwendungen sind z.B. auch die Telefunken-Typen BAX25 und BAX26, für Mischer und Gleichrichter im X-Band die Telefunken-Mikrowellendioden BAW69 und BAW70. Für den Einsatz in Koaxial- oder Hohlleitersystemen wird die Mtscherdiode BAW 70 in einem Koaxialgehäuse geliefert. Für die Mikrostriptechnik steht die Diode BAW69 im LID-Gehäuse zur Verfügung.
Diese Dioden mit einer Grenzfrequenz von 150 GHz besitzen folgende technische Daten:
| Typ | ZF-Impedanz ZZF f = 30 MHz | Rauschzahl F1) 2) | Mischverluste Pc2) | Gehäusekapazität Cp | Serienindukt. LS |
|---|---|---|---|---|---|
| BAW69 | 300 Ω | 7 dB | 5 dB | 0,05 pF | 1,4 nH |
| BAW70 | 300 Ω | 6,5 dB | 4,5 dB | 0,2 pF | 1,0 nH |
1) Einschließlich der ZF-Rauschzahl FZF = 1,5 dB des Einseitenband-Empfängers
2)Gemessen bei f = 9,375 GHz, RL = 15 Ω, IF = 1 mA, fZF = 30 MHz.
5. Anwendungsgebiete
Schottky-Dioden werden wegen ihrer kurzen Schaltzeiten und der niedrigen Schwellenspannung in integrierten TTL-Schaltungen mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit verwendet.
In Mikrowellengeräten werden Schottky-Dioden wegen der vernachlässigbaren Laufzeiteffekte der Ladungsträger und wegen der niedrigen Rauschzahlen als Mischer, Detektor, Modulator, Schalter und Begrenzer bis zu Frequenzen von etwa 20 GHz eingesetzt. Die Prinzipschaltung eines Mischers zeigt Bild 6, die eines Demodulators Bild 7.
Bild 6: Prinzipschaltung eines Mischers im Mikrowellengebiet
Bild 7: Principeschaltung eines Gleichrichter im Mikrowellenbereich
Die praktische Ausführung einer Doppler-Radar-Einheit, mit der man Entfernungen bis zu 100 m überbrücken kann, ist in Bild 8 dargestellt. Der Sender besteht aus einem Gunn-Dioden-Oszillator CGY11 (Telefunken), der als kurzgeschlossener λ/2-Resonator arbeitet. Die Abstimmung erfolgt mit einem Abstimmstift. Von der erzeugten Leistung, 10 mW im X-Band, werden 9 mW über ein transformierendes Zwischenstück an die Antenne abgegeben.
Bild 8: Ausführungsbeispiel einer Dauerstrich-Einheit nach (4)
In diesem Zwischenstück ist die Mischdiode (z.B. BAW70) angeordnet. Der Mischer ist mit einer Koppeldämpfung von 10 dB an den Oszillator angekoppelt und erhält eine Oszillatorleistung von 1 mW. Diese Dauerstrich-Radareinheit erreicht eine Empfindlichkeit bis -60 dBm (nach Unterlagen von AEG-Tfk(4)).
6. Literatur
- Hahn, H.: Spezialdioden Elektronik 1970, H. 8, S. 1 - 3
- Möhring, F.: Dioden zur Erzeugung und Verstärkung von Mikrowellen Teil 4: Speichervaraktoren, UKW-Berichte 11 (1971), H. 2, S. 114 - 119
- Anand, Y.: Moroney, W. J.: Microwave Mixer and Detector Diodes
- Steiner, K.: Anwendungsbeispiel für Gunn-Oszillatoren und Schottky-Dioden: Doppler-Radar in Halbleitertechnik, Telefunken Applikationsbericht AKG-Tfk, Heilbronn
- Shah, H.: Mikrowellen-Halbleiterbauelemente und deren Anwendung Telefunken- Applikationsbericht, AEG-Telefunken, Heilbronn
- Shah, H.: Mikrowellen-Halbleiterbauelemente und deren Anwendung, elektronik-industrie (1971), H.11, S.222 - 225
F. Möhring