지금까지는 pn junction인 Homo - Junction (같은 물질 접합)에 대해서 알아보았었다.
이번 장부터는 Hetero - Junction (다른 물질 접합)에 대해 알아보도록 하자.
Hetero - Junction (다른 물질 접합) 에는 Schottky Junction 혹은 Metal - silicon junction 이 있다.
이는 다음 사진과 같이 한쪽에는 금속, 다른 한쪽에는 실리콘 반도체를 접합시켜 만든다.
금속의 특성을 이야기하자면,
Energy bandgap = 0 [eV]이다. 따라서 $E_{F}, E_{C}, E_{V}$ 모두 한 수평선 위에 붙어있다.
또한 excess carrier가 생성되는 즉시 recombination 되어 사라지기에 금속 내에는 excess carrier 가 존재 불가능하다.
($L_{diff} = 0, lifetime = 0$)
이렇게 생성된 MS junction 에는 두 가지 종류의 metal - semiconductor contacts 가 있는데,
Rectification (device)과 Ohmic Contact (interconnection)이다.
그럼 이제 이러한 두 가지 종류의 특성이 어떻게 발생하는지 알아보도록 하겠다.
먼저 다음 에너지 밴드 다이어그램에서 사용된 수식을 살펴보자.
$e\phi _{m}$ = 금속에서의 일함수 (이때 e는 단위를 eV로 맞추기 위해 넣어줌)
$e\phi _{s}$ = 반도체에서의 일함수
일함수 = vacuum level까지 전자를 끄집어낼 때 필요한 에너지로 물질마다 정해지는 고윳값이다.
$q\chi$ = 전자 친화도 => $q\phi _{s} - (E_{C} - E_{F})$
=> 따라서 외부로부터 어떤 변화가 생겨도 일함수&전자 친화도는 고정값을 지닌다.
사진을 보면 금속과 반도체 둘의 페르미 준위가 서로 다른 위치에 있음을 확인 가능하다.
그렇기에 둘이 접합을 하면 에너지가 높은 쪽인 반도체에서 금속으로 전자가 건너가게 되며 경계면 인근에 도너로 도핑된 fixed charge가 생성되며, depletion region이 만들어진다.
이때 depletion region 안에는 Built - in E-field 또한 형성된다.
둘이 접합을 할 때 반도체의 페르미 준위가 더 높았기에 $E_{F}$가 수평을 이루기 위해서 전체적으로 내려가야 한다.
이때 $e\phi _{m}, e\phi _{s}, q\chi$ 값은 항상 고정이 되어주어야 함을 유념해야 한다.
접합을 하고 난 에너지 밴드를 보면 Schottky barrier height와 Built - in potential이 있는데,
금속 쪽의 전자가 바라본 에너지 장벽을 Shottky barrier height라고 부르며 고정된 값을 지닌다.
이는 수식 $\phi _{B0} = \phi _{m} - \chi$ 로 표현 가능하다.
Built - in poptential = 반도체 쪽의 전자가 바라본 에너지 장벽의 크기이다.
여기에 외부로부터 bias 가 인가되면 다음 사진들과 같이 에너지 밴드 다이어그램이 변한다.
- Reverse bias (금속 (-) / 반도체 (+))
전자의 이동은 금속 -> 반도체 방향이다.
하지만 장벽이 막고 있어서 잘 흐르지 않는다.
- Forward bias (금속(+) / 반도체 (-))
전자의 이동은 반도체 -> 금속 방향이다.
장벽이 낮아지면서 전자의 이동이 수월해져 전류가 흐르게 된다.
이때 전자의 이동을 해석한 이유는 n-type silicon의 경우 majority carrier가 전자이기에 소수 캐리어인 정공의 이동 여부는 신경 쓰지 않아도 되기 때문이다.
이번에는 반대로 $\phi _{M} < \phi _{S}$ 인 상황을 보자.
다음과 같이 나타나 있는 금속 & 반도체 물질을 서로 접합시킬 때 반도체의 페르미 준위가 더 낮았기에 $E_{F}$가 수평을 이루기 위해서 전체적으로 올라가야 한다.
이러한 에너지 밴드 다이어그램에 각 bias를 인가하면
- forward bias
전자가 반도체 -> 금속으로 이동할 때 이를 방해하는 에너지 장벽이 없으므로 수월하게 전자가 이동 가능하다.
- reverse bias
마찬가지로 금속 -> 반도체로 전자가 이동할 때 방해하는 에너지 장벽이 없기에 수월하게 전자가 이동 가능하다.
이러한 방식으로 금속 & 반도체의 에너지 밴드 다이어그램을 그려 볼 수 있다.
그때그때 주어진 조건에 따라 다이어그램을 그려보는 것이 가장 편한 방법이다.
이번 장을 통해 Blocking과 Ohmic 두 가지 특성을 지닌 다이어그램을 확인할 수 있었는데,
Ohimc의 경우 Blocking 과는 다르게 depletion region 이 생성되지 않아 외부에서 가해지는 bias가 모두 Si 전체에 걸려 균일한 에너지값을 받아 band 전체가 기울어진 형태를 띠게 된 것임을 확인할 수 있다.
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