Gehäusevarianten von Leistungs-Schottky-Dioden der Serie MBR und DST. (Bild: Littlefuse)
Bisher kamen MBR-Schottky-Dioden als schnelle und verlustarme Hablleiter zur Gleichrichtung sowie als Rückflusssperre in der Leistungselektronik zum Einsatz. Mittlerweile holen die etwas teureren aber effizienteren DST-Dioden auf.
Schottky-Dioden sind zwar seit vielen Jahrzehnten auf dem Markt, doch neue Entwicklungen und Angebote verbessern ihre Eigenschaften und erweitern die Anwendungsmöglichkeiten ständig. Neben Solarmodulen und Automobilen kommen sie inzwischen auch bei Ladegeräten für Notebooks, Smartphones oder Tablets zum Einsatz. Doch welche Dioden eignen sich für welche Zwecke, und was ist bei der Auswahl der optimalen Lösung zu beachten?
Was sind Schottky-Dioden?
Der deutsche Physiker Walter Schottky hat bereits im Jahr 1938 das Modell des Metall-Halbleiter-Kontakts entwickelt. Im Gegensatz zu Halbleiter-Halbleiter-Kontakten besitzt die Schottky-Diode – auch Hot-Carrier-Diode genannt – eine Potenzialbarriere, wenn die Materialkomposition so gewählt wird, dass sich in der Grenzfläche im Halbleiter eine Verarmungszone bildet. Dadurch kann elektrischer Strom unterhalb einer gewissen Energieschwelle nicht zwischen Metall und Halbleiter fließen. Somit ermöglichen Schottky-Dioden auch eine größere Sperre für den Übergang als andere Metall-Halbleiter-Dioden wie zum Beispiel der ohmsche Kontakt, der das Verhalten eines ohmschen Widerstands zeigt.
Einsatzbereiche und Ausführungen von Schottky-Dioden
Durch diese Eigenschaft finden Schottky-Dioden ihre Anwendung vorwiegend in den zwei Einsatzbereichen Gleichrichtung (Schaltnetzteile, Leistungs-Gleichrichter) und Blockierung des Rückflusses (Verpolungsschutz in der Versorgungspannung, Überspannungsschutz, Freilauf, Signalbegrenzung und -demodulation).
Aufgrund ihrer hohen Schaltgeschwindigkeit kommen Schottky-Dioden vor allem für Hochfrequenzanwendungen bis in den Mikrowellenbereich zum Einsatz. Dies ist auch auf ihre niedrigen Sättigungskapazitäten zurückzuführen. Entsprechend dienen sie häufig als Schutzdioden zum Abbau von Induktionsspannungen in Form einer Freilaufdiode oder als Gleichrichterdioden in Schaltnetzteilen sowie als Demodulator für Detektorschaltungen .
Doch Schottky-Diode ist nicht gleich Schottky-Diode. So kommen zum Beispiel bei Spannungen bis 250 V meist Silizium und für Sperrspannungen von 200 bis 1.700 V auch Galliumarsenid, Siliziumkarbid oder Siliziumgermanium als Halbleitermaterial zum Einsatz. Silizium-Schottky-Dioden besitzen eine kleine Schwellenspannung von etwa 0,4 V, bei niedrigem Betriebsstrom sogar bis unter 0,1 V. Dies ist deutlich geringer als bei Halbleiter-Halbleiter-Übergängen, die eine Spannung von etwa 0,7 V haben. So können Schottky-Dioden parallel zur Kollektor-Basis-Strecke eines Silizium-Bipolartransistors geschaltet werden, um eine Sättigung des Transistors zu verhindern und ein deutlich schnelleres Schalten des Transistors in den Sperrzustand zu ermöglichen. Jedoch weisen sie höhere Leckströme als auf silizium-basierte Halbleiter-Halbleiter-Dioden auf und führen bei höherer Sperrspannung schnell zu hohen Leitungsverlusten.
In Kürze: MBR- gegen DST-Schottky-Dioden
Leistungs-Schottky-Dioden sollen Wechselströme möglichst verlustfrei gleichrichten sowie im Sperrbetrieb schnell ansprechen und dichthalten. Mit Schaltgeschwindigkeiten von 10 kV/µs eignen sich MBR-Dioden gut für HF-Anwendungen. DST-Typen sind weniger schnell; kleinere Durchlassspannungen und Leckströme verringern jedoch die Verlustleistung und erhöhen somit die Systemeffizienz.
MBR- und DST-Serie im Vergleich
Wegen ihres extrem schnellen Schaltverhaltens, der geringen Vorwärtsspannung und niedrigen Leckströme sowie ihrer hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Sperrschichttemperaturen setzen Entwickler die MBR-Schottky-Gleichrichter-Dioden häufig ein. Zudem reduzieren sie thermische und elektrische Verluste durch eine geringere Wärmeentwicklung als konventionelle Dioden.
Die Schottky-Barrieregleichrichter der DST-Reihe weisen im Vergleich zu MBR eine besonders niedrige Vorwärtsspannung sowie geringere Leckströme und damit eine entsprechend höhere Systemeffizienz auf. Dafür besitzen sie jedoch eine höhere Sättigungskapazität, so dass sie sich nicht für extrem hochfrequente Anwendungen eignen. Ansonsten besitzen beide Baureihen weitgehend die gleichen Eigenschaften und eignen sich für die gleichen Anwendungsbereiche. Sie sind dabei in Abhängigkeit vom Stromkreis-Design der jeweiligen Applikation in einer unterschiedlichen Gehäusetypen sowie Einzel- und Doppelkonfigurationen erhältlich. Zudem bietet Littlefuse die Möglichkeit zur individuellen Anpassung der Dioden an spezielle Anwendungen und richtet sich auch bezüglich Funktionsumfang, Verpackung und Auslieferung nach den Wünschen des einzelnen Entwicklers.
Typische Anwendungen für Schottky-Dioden
Typische Anwendungsbereiche für Schottky-Dioden sind zum Beispiel Solarmodule oder Schaltnetzteile, die mit Frequenzen von 20 bis bis zu 200 kHz arbeiten. In diesem Bereich kommen überwiegend MBR-Dioden zum Einsatz, mittlerweile aber vermehrt DST-Typen. Sie finden Verwendung in Schaltnetzteilen kleinerer Leistung wie Stromversorgungen für Notebooks und Tablets, USB-Ladegeräte von Smartphones sowie eingebaute Netzteile von Desktop-PCs, Netzwerkgeräte, Settop-Boxen, WLAN-Router und weiteren Geräten. Generell ist ein Schaltnetzteil eingebaut, wenn ein Gerät einen Prozessor oder eine Speichereinheit für seine Funktionsfähigkeit besitzt und durch Wechselstrom gespeist wird, etwa über die Steckdose im Haushalt oder die Lichtmaschine im Auto.
Entsprechend befinden sich Leistungs-Gleichrichter meist in Netzteil-Anwendungen, in denen der Wechselstrom aus dem Generator in 5 V, 9 V, 16 V oder 24 V Gleichstrom für die verschiedenen Geräte umgewandelt werden muss. In Automobilen wandeln DC-DC-Wandler 12 oder 24 V vom Bordnetz in andere Spannungen. Während bei Netzteilen und anderen elektrischen Verbrauchern Leistungsdioden in der Regel für die Gleichrichtung im Vordergrund steht, verhindern sie bei Solarmodulen den Rückfluss. Solarzellen aus Halbleitermaterialien erzeugen durch zugeführte Energie, hier etwa die elektromagnetische Strahlung der Sonne, freie Ladungsträger. Um aus diesen elektrischen Strom zu erzeugen, müssen die Träger der positiven und negativen Ladung in unterschiedliche Richtungen gelenkt werden. Dies geschieht häufig durch ein internes elektrisches Feld, welches sich durch einen Halbleiter-Halbleiter- oder Metall-Halbleiter-Übergang erzeugen lässt. Letzterer verhindert dabei den möglichen Rückfluss aufgrund der geringeren Durchlassspannung deutlich besser, was die Verlustleistung beim Gleichrichten senkt.
Effizientere DST-Dioden holen auf
Für sämtliche Anwendungen dominieren bisher MBR-Schottky-Dioden den Markt, da sie sich einfacher und günstiger produzieren lassen. Vor allem ostasiatische Hersteller können diese zu extrem günstigen Preisen anbieten. Jedoch spielen Qualitätsanforderungen, Langlebigkeit, Beständigkeit in rauen Umgebungen sowie individuelle Anpassungen eine immer größere Rolle, so dass sich höherpreisige Produkte in der Regel langfristig bewähren.
Zudem setzen sich DST-Dioden immer stärker durch, da sie inzwischen trotz der aufwändigeren Produktionsprozesse nicht mehr sehr viel teurer als MBR-Varianten sind und die höhere Systemeffizienz einen schnelleren ROI gewährleistet. Auch das Problem bei extrem hochfrequenten Anwendungen löst sich durch verbesserte Technologien zunehmend , so dass DST-Dioden immer mehr Einsatzbereiche erobern.
