Informations- und Kommunikationstechnik

Die Schottkydiode - ein Metall-Halbleiter-Kontakt

Die Schottkydiode ist ein spezieller Metall-Halbleiter-Kontakt und hat keinen pn-Übergang. An diesen Kontaktflächen kann sowohl bei p- und n-Halbleitern ein Sperrschichteffekt nachgewiesen werden. Er wurde schon 1875 von K. F. Braun, dem Erfinder der Braunschen Röhre, entdeckt, aber erst viele Jahre später von W. Schottky 1939 theoretisch erklärt.

Die Schottkydiode wird auch Hot-Carrier-Diode genannt. In freier Übersetzung werden damit energiereiche Ladungsträger bezeichnet. Von der Bauform her sind es Flächendioden, wo eine Metall-Halbleiter-Kontaktfläche die Sperrschicht ausbildet, während der zweite Anschlusskontakt ein ohmscher Metall-Halbleiterkontakt ist. Die Skizze zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Schottkydiode in Planartechnik.

Schichtfolge einer Schottkydiode

An der Stromleitung sind in der Schottkydiode nur Majoritätsladungsträger, Elektronen des n-Halbleiters beteiligt. Beim Umschalten vom Durchlass- in den Sperrbereich müssen somit keine wie beim pn-Halbleiter gespeicherten Ladungsträger aus der aufzubauenden Sperrzone ausgeräumt werden. Die Schaltzeiten der Schottkydioden sind daher sehr kurz. Sie eignen sich zur Gleichrichtung hochfrequenter Signale im Mikrowellenbereich und als schnelle Schalter.

Die Schottkydiode hat einen Metall-Halbleiter-Kontakt anstelle des pn-Übergangs.
Der Stromfluss erfolgt nur durch Elektronen.
Im Durchlassbereich ist der dynamische Widerstand sehr klein.
Die Durchlassspannung ist mit 0,4 V niedriger als bei pn-Si-Halbleiterdioden.
Die Sperrverzögerungszeit ist sehr kurz.
Die maximale Sperrspannung liegt unter 100 V.
Der Sperrstrom ist größer als bei normalen Si-Dioden.

Der Metall-Halbleiter-Übergang

An der gemeinsamen Fläche zwischen Metall und Halbleiter kann sich eine Verarmungs- oder Anreicherungszone, auch Randschicht genannt, ausbilden. Damit Ladungsträger ihren Gitterverband verlassen, muss Austrittsarbeit aufgebracht werden. Die notwendige Energie ist bei Halbleitern vom Dotierungstyp und vom Dotierungsgrad abhängig. An der Grenzfläche Metall zu Halbleiter entsteht durch die Energiedifferenz eine Spannung, deren Höhe darüber entscheidet, ob es sich um eine Verarmungs- oder Anreicherungszone handelt. Für den Idealfall gelten folgende Bedingungen:

n-Halbleiter

Die Austrittsarbeit am Metall ist verglichen mit der Austrittsarbeit am Halbleiter hoch. Es bildet sich eine Verarmungsrandschicht und damit ein Schottkykontakt.
Die Austrittsarbeit am Metall ist klein gegenüber der Austrittsarbeit am Halbleiter. Es bildet sich eine Anreicherungsrandschicht und somit ein ohmscher Kontakt.

p-Halbleiter:

Die Austrittsarbeit am Metall ist verglichen mit der Austrittsarbeit am Halbleiter klein. Es bildet sich eine Verarmungsrandschicht und damit ein Schottkykontakt.
Die Austrittsarbeit am Metall ist groß gegenüber der Austrittsarbeit am Halbleiter. Es bildet sich eine Anreicherungsrandschicht und somit ein ohmscher Kontakt.

Weitere Betrachtungen

Die Kontaktspannung errechnet sich aus der Differenz der Austrittsarbeiten dividiert durch die negative Elektronenladung. Ist die Polung der Kontaktspannung so gerichtet, dass die beweglichen Majoritätsladungsträger im Halbleiter abgestoßen werden, so bildet sich ein Schottkykontakt. Die fest im Halbleiterkristallgitter gebundenen Dotieratome stellen die Gegenladung dar. Da ihre Ladungsträgerdichte klein ist, verglichen mit der im Metall, entsteht eine breite Raumladungszone.

Ein ohmscher Metall-Halbleiter-Kontakt bildet sich aus, wenn die Majoritätsladungsträger des Halbleiters durch die Kontaktspannung zur Grenzfläche hingezogen werden. Die Dichte der freien Ladungsträger und der Dotieratome im Halbleiter ist gleich und weiterhin klein verglichen zur hohen Ladungsträgerdichte im Metall. In diesem Fall bewegen sich aber die Majoritätsträger zur Kontaktfläche hin und verhindern das Entstehen der Raumladungszone.

Im Realfall ist der Typ des Metall-Halbleiter-Kontakts nicht so sehr von der Austrittsarbeit beeinflusst. Die Ladungsverhältnisse im Kontaktbereich der gestörten Oberflächenstruktur des Halbleiters bestimmen den Typ. Die Eigenschaften lassen sich dann wie folgt erklären.

n-Halbleiter

Hat die Halbleiteroberfläche in der Kontaktzone Akzeptoreigenschaft für Majoritätsträger, also Elektronen, so verarmt die Randschicht an freien Ladungsträgern. Der Metall-Halbleiter-Kontakt ist ein Schottkykontakt mit Halbleitercharakteristik.
Verfügen die Kontaktzonen über Donatoreigenschaft, so werden Majoritätsträger in die Randschicht abgegeben. Es entsteht die Anreicherungsrandschicht eines ohmschen Metall-Halbleiter-Kontakts.

p-Halbleiter

Entspricht die Halbleiteroberfläche einem Donatortyp, so werden als Majoritätsträger Defektelektronen oder Löcher in die Randschicht gegeben. Sie verarmt an Elektronen, die für den Stromtransport durch das Metall notwendig sind. Der Metall-Halbleiter-Kontakt bildet einen Schottkykontakt.
Hat die Halbleiteroberfläche für Löcher die Akzeptoreigenschaft, wird der Elektronenstrom nicht behindert. Es bildet sich eine Anreicherungsrandschicht und der Metall-Halbleiter-Kontakt ist ein ohmscher Kontakt.