금속-반도체 접촉(쇼트스키 접합)

예리한 선을 셀레늄 위에 누름으로써 정류형 접촉이 형성될 수 있다는 것이 오래전 알려졌다. 더욱더 신뢰성 있는 접촉은 알루미늄과 같은 금속을 반도체 표면에 증착함으로써 만들 수 있었다. 이런 종류의 접합은 일반적으로 쇼트스키 장벽 접합, 혹은 단지 쇼트스키 접합이라고 알려져 있다.

[쇼트스키 장벽]
바이어스가 없는 상태에서 금속-반도체 정류형 접촉, 혹은 쇼트스키 장벽 접합을 생각해보자. 대부분은 정류형 접촉들은 n형 반도체로써 만들어진다. 따라서, n형 접촉에 관하여 집중적으로 다루기로 하겠다.
 특수 금속과 n형 반도체와의 접촉을 만들기 전 이상적인 에너지 밴드 다이어그램이 있다. 진공 준위가 기준 준위로 사용되었다. 
접촉 전에는 반도체의 페르미 준위가 금속의 페르미 준위보다 위에 있었다. 열평형 상태에서 페르미 준위가 전체 시스템에서 일정하게 되기 위해서는 전자들이 반도체로부터 반도체와 금속 사이를 연결한 금속의 낮은 에너지 상태 속으로 흘러 들어가야 한다. 양으로 대전 된 donor 원자들은 공간 전하 영역을 만들면서 반도체 남아 있게 된다.
 금속에서 반도체 쪽으로 전자들이 움직여 갈려고 할 때 직면하는 전위 장벽은 반도체 접촉의 이상적인 장벽 높이이며, 이 장벽은 쇼트스키 장벽이라고 불린다.
 이 장벽은 pn 접합에서와 비슷하게 conduction band의 전자들이 금속 쪽으로 이동해 가려고 할 때 직면하는 장벽이다.

[쇼트스키 접합 - 역 바이어스]
만일 금속에 비하여 반도체 쪽에 양의 전압을 인가하면, 금속을 향한 반도체 측의 장벽 높이가 증가하는 반면, 이상적일 때 금속과 반도체의 전위는 일정하게 유지된다. 이와 같은 바이어스 조건이 역 바이어스이다. 
 만일 역 바이어스된 pn 접합에서 했던 것과 같은 방법으로 역 바이어스된 쇼트스키 접합에 푸아송 방정식을 적용하면, depletion 폭이 (donor의 농도)와 (내부 전위 장벽)에 의해 결정됨을 알 수 있다.

[순방향 바이어스]
바이어스가 없거나 역 바이어스된 pn 접합들이 MOS 트랜지스터에 사용되고 연구되고 있다. MOS 트랜지스터에 대한 이해를 위해 여기서 순방향 바이어스된 pn 접합과 쇼트스키 접합의 정성적인 이해를 할 것이다.
 열평형 상태(공급전압 0)에서의 pn 접합 에너지 밴드 다이어그램을 보면 전자들이 직면하는 전위 장벽은 n 영역에 있는 큰 농도의 전자들이 장해를 받아 p 영역으로 흘러 들어가지 못하게 한다. 마찬가지로, 정공들이 직면하는 전위 장벽은 p 영역에 있는 큰 농도의 정공들이 장해를 받아 n 영역으로 흘러 들어가지 못하게 한다. 그때 전위 장벽은 열평형 상태를 유지한다.
 역방향 바이어스가 가해졌을 때, 전계의 방향을 나타내는 pn 접합을 보면, 공급된 전압에 의한 전계는 원래 바이어스가 없었을 때의 공간 전하 전계와 같은 방향이다. 이런 전계들은 p와 n 영역 사이의 전위 장벽을 증가시키도록 더해진다. 증가한 전위 장벽은 정공들이 p 영역에, 전자들이 n 영역에 머무르도록 한다. 따라서 역 바이어스전압이 가해지면 접합을 통하여 본질에서 전류가 흐르지 않는다. 이와 같은 효과들은 바이어스가 없거나 역 바이어스된 쇼트스키 접합들에도 적용된다.

[pn 접합]
순방향 바이어스된 pn 접합을 보면, p 영역은 n 영역과 비교하면 양의 전압이 걸려있다. 가해진 전압에 의한 전계는 원래 바이어스가 없었을 때의 공간 전하 전계와는 이제 반대 방향이다. 공간 전하 영역에서의 net 전계는 바이어스가 없었을 때 보다 감소하며 p와 n 영역 사이의 전위 장벽은 감소한다. 전위 장벽의 감소는 바이어스가 없었을 때의 열평형 상태가 혼란되었음을 의미한다. 이 경우에 정공들이 p 영역에서 depletion 영역을 지나 n 영역으로 확산하여 그곳에서 소수 carrier 정공들이 되는 것이다. 이와 마찬가지로 전자들이 n 영역에서 depletion 영역을 지나 p 영역으로 확산하여 소수 carrier 전자가 되는 것이다. p와 n 영역의 정상 상태 소수 carrier의 농도 기울기가 있어서 확산 전류들이 pn 접합에 유기된다.
 확산 전류들의 해석은 이상적인 전류-전압 관계를 나타낸다. 역 포화 전류는 도핑 농도, 확산 계수, pn 접합의 단면적 등의 함수이다. 실리콘 pn 접합의 전형적인 역 포화 전륫값은 10^(-14) 에서 10^(-12) A이다.
 pn 접합이 순방향 바이어스되면, 전류는 전압의 지수 함수이다. pn 접합이 역 바이어스되면, 지수 함수는 매우 빠르게 1과 비교하면 무시할 정도가 되어 접합 전류가 역 포화전류의 음의 값과 같아진다. 역 바이어스 전류는 0이 아니고 매우 작은 값이다. pn 접합의 비선형적 전류-전압 특성 때문에 이 소자를 pn 접합 다이오드라고 부른다.

[쇼트스키 장벽 접합]
금속-반도체 접합의 전류이동은 pn 접합의 소수 carrier에 반하여 주로 다수 carrier에 의하여 일어난다. n형 반도체를 갖는 정류형 접촉에서의 기본과정은 열 방출이론에 의해 기술될 수 있는 전위 장벽을 극복한 전자들의 이동인 것이다. 열 방출 특성은 장벽 높이가 KT보다 훨씬 커서 막스웰-볼츠만 가정이 적용되고 열평형 상태가 이 과정에 의하여 영향을 받지 않는 가정하에 유도된다.
 순방향 바이어스전압이 공급된 1차원 장벽과 두 전자전류 밀도 성분들을 고려해보자. 반도체에서 금속으로의 전류는 전자들로 인한 전자전류 밀도이다. 금속에서 반도체 쪽으로 향하는 전류도 전자에 의한 전자전류 밀도이다. 일반적인 전류 방향은 전자 흐름의 반대이다.

 

MOS 커패시터에서의 전위차

MOSFET 기초

금속-반도체 옴(Ohm) 접촉

pn접합의 기본 구조