Đi ốt schottky là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa điốt Schottky

Điốt Schottky là linh kiện bán dẫn cấu tạo từ tiếp giáp kim loại–bán dẫn, khác với điốt p–n truyền thống ở chỗ không có lớp bán dẫn p. Tiếp giáp này tạo ra rào chắn tiềm năng Schottky, cho phép dòng electron di chuyển thuận chiều nhanh nhưng ngăn cản dòng ngược hiệu quả. Điốt Schottky được xếp vào loại điốt phi tuyến, thường được ký hiệu bằng chữ “S” hoặc “D” trong sơ đồ mạch điện.

Ưu điểm nổi bật của điốt Schottky là điện áp sụt áp thuận thấp, thường chỉ 0,15–0,45 V, thấp hơn nhiều so với 0,7 V của điốt silicon p–n. Điều này giúp giảm tổn thất công suất trong các mạch chỉnh lưu và chuyển mạch tốc độ cao. Nhờ không có vùng tích điện lưu trữ lớn như trong điốt p–n, thời gian phục hồi ngược gần như bằng không, cho phép hoạt động hiệu quả ở tần số lên đến hàng trăm MHz hoặc cao hơn.

• Dòng thuận: lớn, sụt áp thấp (0,15–0,45 V).
• Dòng ngược: rất nhỏ, tỉ lệ nghịch với chiều rộng rào chắn.
• Thời gian phục hồi: ≈0 ns, phù hợp tần số cao.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo điốt Schottky gồm một lớp kim loại (thường là nikkêl, vàng hoặc bạch kim) tiếp xúc trực tiếp với bán dẫn loại n (silicon, SiC hoặc GaAs). Tại vùng tiếp giáp, electron tự do từ bán dẫn di chuyển sang kim loại tạo ra vùng nghèo điện tích (depletion region) và rào chắn năng lượng φ_B, gọi là rào Schottky.

Khi phân cực thuận (V > 0), electron ở vùng bán dẫn được tăng năng lượng để vượt qua rào φ_B và di chuyển vào kim loại, tạo ra dòng I_F theo phương trình bức xạ nhiệt (thermionic emission): $J = A^* T^2 \exp\bigl(-\frac{q\phi_B}{kT}\bigr)\bigl[\exp\bigl(\frac{qV}{kT}\bigr)-1\bigr]$, trong đó A* là hệ số Richardson, T nhiệt độ tuyệt đối, q điện tích electron, k hằng số Boltzmann. Dưới phân cực ngược (V < 0), rào chắn tăng, dòng rò I_R rất nhỏ và gần như hằng định.

Điều kiện	Hành vi dòng	Rào chắn φ_B
Phân cực thuận	Dòng lớn theo phương trình thermionic	Giảm theo V
Phân cực ngược	Dòng rò rất nhỏ	Tăng cường cản trở electron

Đặc tính vật liệu

Lựa chọn bán dẫn và kim loại ảnh hưởng trực tiếp đến rào Schottky φ_B và tính ổn định nhiệt. Silicon là vật liệu phổ biến nhờ chi phí thấp và công nghệ sản xuất đã trưởng thành. Đối với ứng dụng chịu nhiệt và điện áp cao, bán dẫn wide-bandgap như silicon carbide (SiC) hoặc gallium arsenide (GaAs) được ưa chuộng vì cho rào chắn cao hơn và dòng rò thấp hơn.

Kim loại phải có công việc (work function) thích hợp để tạo rào Schottky. Ví dụ, nikkêl (Ni) và bạch kim (Pt) cho φ_B vào khoảng 0,7–0,85 eV trên silicon, giúp cân bằng giữa sụt áp thuận và dòng rò ngược. Việc kiểm soát độ tinh khiết và cấu trúc tinh thể ở vùng tiếp giáp cũng rất quan trọng để tránh nếp nhăn và điện tích bẫy, giảm tính đồng nhất của rào chắn.

• Si: φ_B ≈ 0,6–0,7 eV, ứng dụng tần số thấp–trung bình.
• SiC: φ_B ≈ 1,3–1,5 eV, chịu nhiệt và áp cao.
• GaAs: φ_B ≈ 0,8–0,9 eV, cho tốc độ chuyển mạch rất cao.

Đặc tính điện

Điện dung junction C_j của điốt Schottky rất thấp do vùng nghèo mỏng, thường dưới 2 pF đối với diện tích nhỏ. Điều này giúp giảm tổn thất điện dung trong mạch chuyển mạch, nâng cao tần số chuyển đổi và giảm nhiễu chung.

Dòng phục hồi ngược gần bằng 0 cho phép chuyển mạch nhanh mà không cần thời gian chờ (reverse recovery time), giúp giảm tổn thất công suất trong các mạch xung và nguồn switching. Dòng ngược I_R tăng mạnh khi nhiệt độ tăng, do đó cần chú ý tản nhiệt và điều chỉnh thiết kế mạch sao cho không vượt quá ngưỡng làm việc.

Thông số	Giá trị điển hình	Ưu điểm
V_F (sụt áp)	0,15–0,45 V	Giảm tổn thất điện áp
I_R (dòng ngược)	10⁻⁶–10⁻³ A/cm²	Đảm bảo cách ly cao
C_j (điện dung)	< 2 pF	Hỗ trợ tần số cao

• Thời gian phục hồi: gần 0 ns.
• Độ bền nhiệt: đến 175 °C (Si) và >300 °C (SiC).
• Ứng dụng: mạch switching, RF mixer, bảo vệ ngược phân cực.

So sánh với điốt p-n

Điốt Schottky và điốt p–n truyền thống có cơ chế dẫn điện khác nhau. Điốt p–n tạo rào cản điện bằng vùng nghèo của tiếp giáp p–n, trong khi điốt Schottky dùng rào chắn kim loại–bán dẫn. Kết quả là sụt áp thuận của điốt Schottky thấp hơn đáng kể, thời gian phục hồi ngược gần như không đáng kể và điện dung junction nhỏ hơn.

Điểm khác biệt chính thể hiện qua đặc tính I–V và thông số phục hồi. Điốt p–n silicon có sụt áp ≈0,7 V, dòng phục hồi ngược (reverse recovery) tính bằng micro- đến milli-giây, và điện dung junction phụ thuộc mạnh vào điện áp ngược. Ngược lại, điốt Schottky có sụt áp 0,15–0,45 V, thời gian phục hồi ≈0 ns và điện dung junction <2 pF, cho phép hoạt động ở tần số cao mà không cần mạch snubber phức tạp.

Thông số	Điốt Schottky	Điốt p–n Silicon
Sụt áp thuận VF	0,15–0,45 V	≈0,7 V
Dòng phục hồi ngược	≈0 ns	1–100 μs
Điện dung junction Cj	< 2 pF	5–50 pF
Dòng ngược IR	10−6–10−3 A/cm²	10−9–10−6 A/cm²
Ứng dụng tần số	RF, GHz	kHz–MHz

Ứng dụng

Điốt Schottky được ưa chuộng trong nhiều ứng dụng điện tử và nguồn công suất nhờ sụt áp thấp và thời gian chuyển mạch nhanh. Trong mạch chỉnh lưu (rectifier) cho nguồn switching, điốt Schottky giảm tổn thất công suất do điện áp sụt thấp và không cần mạch bảo vệ phục hồi.

• Nguồn switching (SMPS): chỉnh lưu đầu vào và diode freewheeling cho bộ chuyển mạch MOSFET.
• Bảo vệ ngược phân cực: ngăn không cho điện áp ngược làm hỏng IC và mạch cảm biến.
• Mạch RF: mixer, detector và limiter trong hệ thống thông tin di động, radar, vệ tinh.
• Chỉnh lưu cao tần: công suất vi sóng, tần số GHz và mạch PLL.
• Power steering và ECU ô tô: chịu nhiệt độ cao và nhiễu điện từ.

Ví dụ, trong các bộ chuyển đổi DC–DC 12 V/5 V, việc sử dụng điốt Schottky freewheeling giúp đạt hiệu suất >90% và giảm nhiệt sản sinh so với điốt p–n thông thường .

Thiết kế và chế tạo

Quy trình chế tạo điốt Schottky bao gồm lắng đọng kim loại (sputtering, evaporation) lên bề mặt bán dẫn đã được tạp nhiễm loại n và tạo vùng tiếp giáp. Nhiệt xử lý (annealing) sau đó giúp cải thiện độ kết dính, đồng nhất rào chắn và loại bỏ tạp chất oxy hóa.

Trong công nghệ silicon, sử dụng epitaxy hoặc ion implantation để tạo lớp bán dẫn n-doped mỏng, kiểm soát độ sâu vùng nghèo và độ dày lớp tiếp xúc. Thiết kế bao gồm cấu trúc planar hoặc trench để tối ưu điện dung junction và khả năng tản nhiệt. Đối với SiC, quy trình chế tạo tương tự nhưng yêu cầu nhiệt độ gia nhiệt cao hơn (≥800 °C) để ổn định giao diện kim loại–SiC.

• Lắng đọng kim loại: Ni/Al, Pt, Au tùy yêu cầu φ_B.
• Tạp nhiễm bán dẫn: kiểm soát n-doping ~10¹⁶–10¹⁸ cm⁻³.
• Gia nhiệt: loại bỏ tạp chất, cải thiện tiếp giáp.
• Đóng gói: TO-220, SOD-123, SMC hỗ trợ tản nhiệt và chịu áp cao.

Thách thức và cải tiến

Dòng ngược I_R cao hơn điốt p–n truyền thống và giới hạn nhiệt độ làm việc (Si ≤175 °C, SiC ≥300 °C) là thách thức chính. Giảm dòng rò và tăng khả năng chịu nhiệt yêu cầu vật liệu wide-bandgap (SiC, GaN) và cấu trúc superjunction.

Nghiên cứu hiện đang tập trung vào:

• Superjunction Schottky: xen kẽ lớp n và p mỏng để tăng khả năng chịu điện áp ngược mà không tăng điện dung.
• SiC và GaN Schottky: giảm dòng rò ngược, tăng rào chắn φ_B, chịu nhiệt độ và điện áp cao.
• Liên kết kim loại đa lớp: sử dụng màng đệm (buffer layer) chống khuếch tán và cải thiện độ bền tiếp giáp.
• Tối ưu bề mặt: xử lý plasma và oxit mỏng để giảm điện tích bẫy và tăng độ đồng nhất φ_B.

Các tiến bộ này hứa hẹn nâng cao hiệu suất và độ bền cho các ứng dụng công nghiệp và năng lượng tái tạo .

Tài liệu tham khảo

• Sze, S. M. & Ng, K. K. Physics of Semiconductor Devices. Wiley, 2006.
• ON Semiconductor. Schottky Barrier Diodes Data Sheets. ON Semiconductor. https://www.onsemi.com/products/discretes-drivers/diodes
• Texas Instruments. AN-1148 Schottky Diode Application Note. TI. https://www.ti.com/lit/an/slva078
• Rhoderick, E. H. & Williams, R. J. Metal–Semiconductor Contacts. Clarendon Press, 1988.
• ON Semiconductor. Application Note: Improving Efficiency with Superjunction Schottky Diodes. ON Semiconductor.