Schottky-Diode

Auf praktisch jeder Platine mit einem Schaltregler sitzt sie: ein kleiner schwarzer SMD-Klotz mit Kathodenbalken neben der Spule. Auch am USB-Eingang eines Mikrocontroller-Boards, wo zwei Versorgungen zusammengeführt werden, findest du oft eine. Die Schottky-Diode leitet schon ab etwa 0,3 V statt 0,6 bis 0,7 V und schaltet praktisch ohne Verzögerung. Beides spart Energie – genau dort, wo jede Zehntelvolt-Verlustleistung zählt. Ihren Namen trägt sie nach dem Physiker Walter Schottky, der den Metall-Halbleiter-Kontakt in den 1930er-Jahren theoretisch beschrieb.

Aufbau und Funktionsweise

Eine gewöhnliche Diode besteht aus p- und n-dotiertem Silizium. Bei der Schottky-Diode fehlt das p-Gebiet: Ein Metall, etwa Molybdän, Platin oder Chrom, sitzt direkt auf schwach n-dotiertem Silizium. An dieser Grenze entsteht eine Energiebarriere, die Schottky-Barriere. Elektronen aus dem Halbleiter wandern ins Metall, bis sich ein Gleichgewicht einstellt; im Silizium bleibt eine dünne Zone mit positiven Donator-Ionen zurück – eine Sperrschicht wie beim pn-Übergang, nur einseitig. Das Metall ist die Anode, das n-Silizium die Kathode.

Die Barriere ist niedriger als die eines Silizium-pn-Übergangs; deshalb leitet die Diode schon bei kleinerer Spannung. Entscheidender ist ein zweiter Unterschied: Der Strom wird nur von Elektronen getragen, die aus dem Silizium ins Metall fließen, wo sie ohnehin Majoritätsträger sind. Es werden keine Minoritätsträger in eine Grenzschicht injiziert, die beim Umschalten erst ausgeräumt werden müssten. Die Schottky-Diode kennt deshalb praktisch keine Sperrverzögerungszeit; begrenzend ist nur ihre Sperrschichtkapazität.

Schaltzeichen

Das Symbol ist das der Diode, nur trägt der Kathodenstrich an beiden Enden einen Haken in entgegengesetzter Richtung, sodass er wie ein eckiges S aussieht. In manchen Schaltplänen wird trotzdem das normale Diodensymbol verwendet; dann verrät nur der Typ, dass es eine Schottky-Diode ist. Am Bauteil markiert ein Ring oder Balken die Kathode wie bei jeder Diode (siehe Kennzeichnung von Dioden).

Kennlinie und Kennwerte

Im Vergleich mit einer Silizium-pn-Diode ist die Kennlinie der Schottky-Diode um einige Zehntel Volt nach links verschoben. Bei kleinen Strömen liegen 0,2 bis 0,4 V an, bei Nennstrom je nach Typ 0,45 bis 0,9 V.

Der Preis zeigt sich in Sperrrichtung. Die Tabelle stellt drei verbreitete Typen der 1N4007 gegenüber:

Drei Dinge fallen auf:

• Niedrige Sperrspannung: Klassische Silizium-Schottky-Dioden gibt es meist bis 40, 60 oder 100 V, selten bis 200 V. Für Netzspannung eignen sie sich nicht – mit Ausnahme von Schottky-Dioden aus Siliziumkarbid, die mit 650 V und 1200 V in Leistungsfaktorkorrektur und Solarwechselrichtern sitzen.
• Hoher Sperrstrom, stark temperaturabhängig: Die 1N5819 hat bei 25 °C bis zu 1 mA, bei 100 °C bis zu 10 mA Sperrstrom – das Tausendfache einer 1N4007. Mehr dazu unter Temperaturverhalten von Halbleitern.
• Großer Zielkonflikt: Eine niedrigere Barriere senkt die Durchlassspannung, erhöht aber den Sperrstrom. Hersteller bieten deshalb Typen „low U_F“ und „low leakage“ an.

Bauformen

Kleinsignal-Schottky-Dioden wie BAT54, BAT43 oder BAT85 kommen in SOT-23, SOD-323 und Glasgehäusen; im SOT-23 stecken häufig zwei Dioden mit gemeinsamer Anode oder Kathode (BAT54A, BAT54C, BAT54S). Leistungstypen findest du in SOD-123F, SMA, SMB und SMC, bedrahtet in DO-41 (1N5817 bis 1N5819) und DO-201 (1N5820 bis 1N5822) sowie als Doppeldioden im TO-220 für Schaltnetzteile.

Typische Anwendungen

Freilauf- und Gleichrichterdiode im Schaltregler. Im Abwärtswandler leitet die Diode in jeder Ausschaltphase den Spulenstrom weiter. Bei 100 kHz und mehr wäre eine normale Diode wegen ihrer Sperrverzögerung zu langsam; die Schottky-Diode schaltet verzögerungsfrei und verliert weniger Spannung.

Wie Schaltregler funktionieren und wie du sie auslegst, zeigt der Rechner Schaltregler (Buck und Boost).

Verpolungsschutz und Entkopplung. Ein Board, das per USB oder Batterie versorgt wird, führt beide Quellen über je eine Schottky-Diode zusammen. Die höhere Spannung gewinnt, keine Quelle speist in die andere zurück. Gegenüber einer Silizium-Diode bleiben rund 0,3 bis 0,4 V mehr übrig – an 3,3 V ein großer Unterschied.

Klemmdioden und Schutz. Eine BAT54S zwischen Signal, Masse und Versorgung leitet Spannungsspitzen ab, bevor die internen Schutzdioden eines ICs leiten. Weil die Schottky-Diode die kleinere Durchlassspannung hat, übernimmt sie den Strom zuerst.

Hochfrequenz. Kleine Schottky-Dioden mit wenigen Picofarad dienen als Mischer und Detektor bis in den Gigahertz-Bereich.

Auswahl und Praxistipps

1. Sperrspannung mit Reserve: mindestens 20–50 % über der höchsten auftretenden Spannung, einschließlich Spitzen beim Schalten.
2. Strom und Wärme: Verlustleistung U_F · I plus Sperrverluste U_R · I_R bei der höchsten Temperatur abschätzen (siehe Wärme und Kühlung).
3. Sperrstrom prüfen: Bei Batteriegeräten und hochohmigen Schaltungen kann der Leckstrom einer Schottky-Diode die Ruhestromaufnahme bestimmen.
4. Kapazität beachten: Große Leistungs-Schottkys haben einige hundert Picofarad; an schnellen Signalen wirkt das als Last.

Häufige Fehler:

• Schottky-Diode an Netzspannung: Silizium-Schottkys sind dafür nicht gemacht; die Sperrspannung reicht nicht.
• Sperrstrom im Ruhebetrieb vergessen: Eine Schottky-Diode als Entkopplung vor einer Knopfzelle kann mehr Strom ziehen als der Mikrocontroller im Schlafmodus.
• Zu warme Montage: In der Nähe heißer Bauteile steigt der Sperrstrom, die Diode heizt sich zusätzlich selbst auf.
• Doppeldiode im SOT-23 falsch belegt: BAT54, BAT54A, BAT54C und BAT54S sehen identisch aus, sind aber verschieden verschaltet. Das Datenblatt und der SMD-Code klären es.

Selbsttest