반도체(12) Metal-Semiconductor junction 금속 반도체 접합 schottky contact

반도체는 어쩔 수 없이 금속과 접합해야한다.

왜냐면... 전선도 금속인걸...? 

 

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그래서 피할 수 없는 금속 반도체 접합에 대해서 알아보자

Metal-Semiconductor Junction

 

우선 2가지 접합이 있다.

 

 

금속의 특징 : 전자와 정공의 농도가 모두 높음. 과잉 캐리어의 평균수명과 확산 길이가 아주 짧으며, 금속 내부에는 과잉 캐리어가 존재하지 않아 항상 열평형 상태가 유지 된다.(금속 내부 전기장은 0)

1. 쇼트키 접합(Schottky contact) : 금속과 저농도 도핑된 반도체 사이의 접합. PN 다이오드와 유사하게 정류성 IV 특성을 가진다. // 샤키라고하는데 영어니까 뭐 정확히 따지지는 말자

 

2. 옴성 접합(Ohmic contact) : 금속과 고농도 도핑된 반도체 사이의 접합. 낮은 저항을 가져서, 전기적으로 단락처럼 동작한다. 

 

 

 

 

++그리고 우리는 도체, 반도체가 어떻게 되어있는지 알아봤다

 

금속 반도체 접합 알아보기 전에 복습하고 넘어가자

 

 

아직 모르는 용어가 있겠지만... 저렇게 되어있는 것을 참고하고 넘어가자

 

 

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그래서 위에 에너지밴드를 봤는데 금속과 반도체를 접합시키면 어떻게 된다는 거냐???

 

그림을 보자

 

 

++이상적인 Schottky barrier height는 금속의 일함수(work- function)와 실리콘의 전자 친화력(electron affinity)의 차이에 의해서 결정된다.

 

 

 

++얘는 전자 친화도랑 연관있음 // 물질 고유 성질>> 일정하다고 볼 수 있음.

 

??

용어 모르겠는데???

 

우선 work function이 뭐냐고??

 

 

E0는 실리콘에서 벗어난 전자를 말한다. 즉 에너지를 받아서 진공으로 갔다고 말할 수 있다.

그래서 Work function은 E0까지 전자를 보내기 위한 최소한의 에너지를 뜻한다.

 

 

그럼 

Schottky barrier 는 뭐야??

 

Schottky barrier height (𝝓𝑩) 는  금속과 반도체 사이에 캐리어의 흐름을 막는 장벽 높이를 말한다

 

 

 

 

++  schottky barrier height는 이렇게 구한다.

 

 

참고만 하자

 

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여기서 페르미 고정이라는 것을 배울것인데,, 간단하니까 한 번 보자

fermiFermi-level pinning 이라고 영어로 쓴다

 

 

 

 

실제 금속-반도체 접합에서는 밴드 갭 내에 interface state 존재.  // 경계면에 있다 

 

Donor states : 전자가 차 있으면 중성, 전자가 비어 있으면 양전하로 대전.
Acceptor states : 전자가 비어 있으면 중성, 전자가 차 있으면 음전하로 대전.

 

Neutral level = Fermi level 인 경우에는 interface state의 순 전하는 0 이다.

 

양 전하 : 전자 기준의 위치 에너지 감소시킴. (에너지 밴드 하향)
음 전하 : 전자 기준의 위치 에너지 증가시킴. (에너지 밴드 상향)

//오른쪽 그림을 보면 저렇게 된다는 뜻이다.

 

 

그렇다면 barrier의 높이도 전하에 따라 에너지 밴드가 달라진다는 뜻인가??

라고 해석하면 굿

 

Neutral level이 intrinsic level이라고 가정하자. 그 경우,
- 𝛹M = 4.6 V : net interface-state charge = 0
- 𝛹M > 4.6 V : net interface-state charge = +     // schottky barrier 하향
- 𝛹M < 4.6 V : net interface-state charge = -     //schottky barrier 상향

 

**페르미-준위 고정(Fermi-level pinning) : interface state 는 schottky barrier height가 ~0.7 V 근방 값 으로부터 크게 변화하지 못하도록 막는 역할을 한다.

 

이 식을 가진다.

 

 

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schottky barrier의 종류 2가지를 살짝 볼까?? 에너지 밴드 다이어그램과 같이 봐보자

//위에서 봤지만 다시 한 번 보자

 

 

 

 

 

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그 다음 Silicide를 알아보고 넘어가자 (참고)

 

 

실리사이드 : 가장 널리 사용되는 금속-반도체 접합 종류. 금속은 적절한 온도에서 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성한다. 실리사이드-Si 경계면은 (다른)금속-Si 보다 더욱 안정적이며, 자연산화막이 존재하지 않는다.

//자연 산화막은 절연체로 있으면 전류의 흐름을 방해한다.

실리사이드 형성 방법 : sputtering 또는 CVD에 의해 Si위에 금속박막을 증착한 뒤에, 어닐링(annealing)단계를 적용하여 실리사이드-Si 접촉을 형성한다.

 

 

 

 

 

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쇼트키 장벽을 가로지르는 전자의 이동은

열전자 방출(Thermionic emission) 로 모델링 할 수 있는데  그래서 알아봐야 한다.

이와 같이 schottky diode에 대해서 알아볼 것이다.

 

우선 3가지가 있다.

 

 

1. 열적 평형

2. 정 바이어스

3.역 바이어스

 

++위의 J 식을 보면 외우기 힘들어보이니까.. 외우지 말고 T(온도)에 비례한다만 알아두자

 

 

1. 열적평형 

V=0인가 >> I=0 즉 서로 오가는거 같음.

금속에서 반도체로 전자가 가기는 여전히 힘듬.

 

 

2. 정 바이어스(금속에 +전압)

인가 전압이 있어서 페르미레벨 분리되었음. 

에너지밴드 다이어그램 변화  배리어 높이 낮아짐

금속에서 반도체로 전자가 가는 것은 여전히 같지만

반도체에서 금속으로 전자가 가는 것은 배리어 높이가 낮아져서 쉬워짐.

결국 전류가 흐른다.

 

3.역 바이어스 (반도체에 +전압)

2번의 결과와 반대겠지??

배리어 높이는 높아지고 반도체에서 금속으로 전자가 가는 것은 거의 불가능해짐

전류는 일정하게 매우 미세하게 흐른다.

 

 

 

쇼트키 다이오드: 쇼트키 접합은 정류성 다이오드처럼 동작한다. 

 

쇼트키 다이오드는 PN 다이오드와 동일한 전류식 형태를 가진다. 대신, PN 접합에 비하여 통상적으로 저전압&고전류 동작 특성을 가진다. // 같은 전압이라도 얘가 더 잘흐른다는 뜻이다.

 

이렇게 응용되기도 한다