금속-반도체 옴(Ohm) 접촉

접촉들이 어떤 반도체 소자 혹은 집적회로와 외부세계 사이에 반드시 만들어져야 한다. 이와 같은 접촉들은 옴 접촉을 통하여 이루어진다. 옴 접촉들은 금속-반도체 접촉들이지만, 이때 그들은 정류설 접촉이 아니다. 옴 접촉은 금속과 반도체 사이에 양방향으로 전기 전도성을 갖는 낮은 저항 접합이다. 이상적이면 옴 접촉을 통하여 흐르는 전류는 공급된 전압에 선형 함수이며, 공급된 전압은 매우 작아야 한다. 두 가지 일반적 형태의 옴 접속이 가능하다. 첫 번째 형태는 이상적인 비장류형 장벽이며 두 번째는 터널링 장벽이다.
 금속-반도체 접촉에서 열평형 상태에 도달하려고 전자들이 금속으로부터 반도체의 낮은 에너지 준위로 흘러 들어갈 것이며, 이것은 반도체 표면을 더욱 n형으로 만든다. n형 반도체 내의 과잉 전자전하는 표면 전하 밀도로써 존재한다. 만일 양 전압이 금속에 가해진다면, 반도체로부터 금속으로 흐르는 전자에게 장벽이 없다. 만일 양 전압이 반도체에 가해지면, 금속으로부터 반도체로 흐르는 전자들에게는 유효 장벽 높이가 대략 전자의 일 함수가 되며, 이것은 강하게 도핑된 반도체에 상응하는 아주 작은 것이 된다. 이와 같은 바이어스 조건에서는 전자들이 쉽게 금속으로부터 반도체로 흐를 수 있다.
 전자들은 반도체에서 금속으로 쉽게 흘러내려 갈 수 있다. 금속과 반도체의 접촉이 만들어지면 반도체로부터 전자들이 열평형 상태를 이루기 위하여 더욱더 많은 비어있는 상태들, 혹은 정공들을 남겨두고 금속 쪽으로 흘러 들어갈 것이다. 표면의 과잉 정공 농도는 반도체를 더욱 p형으로 만들게 된다. 금속으로부터 전자들이 반도체의 비어있는 상태들 속으로 쉽게 움직여 갈 수 있는 것이다. 이와 같은 전하 이동은 정공이 반도체로부터 금속으로 이동하는 것에 해당한다. 역시 금속에 있는 정공들이 반도체로 흘러가는 것을 나타내어 보일 수 있다. 이 접촉 역시 옴 접촉이다.

[터널링 장벽]
정류형 금속-반도체 접촉에서 공간 전하 폭은 반도체 도핑 농도의 평방근에 반비례한다. 공핍층 폭은 반도체의 도핑 농도가 증가할수록 감소한다. 따라서 도핑 농도가 증가하면 장벽을 터널링 할 확률은 증가한다. 

[불균일하게 도핑된 pn 접합들]
지금까지 고려한 pn 접합에서 각 반도체 영역은 균일하게 되었다고 가정하였다. 실질적인 pn 접합 구조들은 항상 그렇지 않다. 어떤 전자 응용에서는 특수한 불균일 도핑 프로파일들이 특수한 pn 접합 커패시턴스 특성을 갖게 하려면 사용된다.

[선형적으로 기울어진 접합들]
만약 예를 들어 균일하게 도핑된 n형 반도체를 갖고 출발해서 표면을 통해 억셉터를 확산시킨다면, 불순물 농도들은 거리에 따라 감소하는 모습을 보일 것이다. depletion 영역은 앞에서 논하였던 바와 같이 야금학적 접합으로부터 p와 n 여역으로 확장된다. 야금학적 접합 부근의 net p형 도핑 농도는 야금학적 접합으로부터의 거리에 관한 선형 함수로써 근사화될 수 있다. 처음 근사와 마찬가지로 net n형 도핑 농도 역시 야금학적 접합으로부터 n 영역으로 확장되는 거리의 선형 함수이다. 이와 같은 실제 도핑 프로파일이 선형적으로 기울어진 접합이라고 언급된다.
 선형적으로 기울어진 접합의 궁핍 영역에 있는 공간 전하 밀도를 고려해보자. 편리 상 야금학적 접합은 x=0에 놓여있다. depletion 영역의 전계와 전위는 푸아송 방정식에 의하여 결정될 수 있다.
 선형적으로 기울어진 접합에서의 전계는 균일하게 도핑된 접합에서 발견되는 선형함수가 아닌 거리에 따른 2차 함수이다. 최대전계는 다시 야금학적 접합에서 나타난다. 불균등하게 도핑된 반도체 내의 전계는 정확하게 0이 아니고 전계 크기가 작은 것이므로 무더기 짐에서 전계가 0이라고 놓는 것도 하나의 좋은 가정이다.
 도핑 기울기가 접합 각 편에서 같지 않을 수 있지만 여기서는 그것을 고려하지 않으려 한다.
 만약 역 바이어스전압이 접합에 공급되면 전위 장벽이 증가한다. 단위 면적당 접합 커패시턴 스는 균등하게 도핑된 접합에서 사용하였던 것과 같은 방법으로 정해질 수 있다. 선형적인 기울기 접합에서 커패시턴 스는 균등하게 도핑된 접합에서보다 역 바이어스에 덜 의존한다.

[소자 제조 기술들: 노광 기술, 안식각, 접합]
소자 제조 기술에 있어서 열 산화, 확산 그리고 이온 주입을 논했다. 여기서는 소자 제조 기술들의 논의를 확장하지만, 산화, 확산 그리고 이온 주입들을 pn 접합 제조에서 사용하지는 않겠다.
 실리콘 표면에서 이산화 실리콘이 만들어지는 열 확산 공정을 논했었다. 이산화 실리콘 특성 중 하나는 이 산화 층 속에서인, 비소 혹은 붕소들과 같은 불순물 원자들의 확산 계수가 매우 작은 데 있다. 그래서 이산화 실리콘은 실리콘의 특정 영역으로 불순물이 퍼지어 들어가지 못하도록 방지하는 마스크로 사용될 수 있는 것이다. 이산화 실리콘은 역시 이온 주입의 마스크로도 사용된다.

[포토마스크들과 노광 기술]
각 칩에 설계된 실제적인 회로와 소자는 포토마스크들과 노광 기술을 통하여 만들어진다. 포토마스크는 소자나 소자 일부분을 물리적으로 나타내는 것이다. 마스크 상에서 불투명한 영역은 극자외선을 흡수하는 물질로써 만들어진다. 광 황감제(photoresist)라고 불리는 광 감응 층이 반도체 표면에 먼저 도포된다. 광 황감제는 극자외선에 노출될 때 화학적 변화를 겪게 되는 유기 중합체이다. 광 황감제는 포토마스크를 통과한 극자외선에 노출된다. 그러고 나서 광 황감제가 화학 용액 속에서 현상된다. 현상액은 광 황감제에서 원하지 않는 부분을 제거하고 실리콘 위에 적절한 패턴을 만들어 낸다. 포토마스크와 노광 기술 공정은 소자를 얼마나 작게 만들 수 있는지를 결정하는 데 있어서 결정적이다.

 

MOS 커패시터에서의 전위차

MOSFET 기초

금속-반도체 접촉(쇼트스키 접합)

pn접합의 기본 구조