<MS junction>1. Ms junction 정성적 해석

이번 포스팅에서는 metal과 semiconductor가 접합해서 만들어지는 MS junction에 대하여 알아보고 정성적으로 해석해보겠다.

About Metal

MS junction의 M을 뜻하는 Metal은 

- Energy bandgap = 0eV

- 믾은 carrier들이 존재(고도핑 반도체와 유사)

- Metal 안에서 Excess carrier들의 $L_{diff}$=0, lifetime=0 

금속은 Energy bandgap=0eV 이므로 electron과 hole이 무수히 많이 존재하게 된다. 

그로인해 excess carrier가 metal로 유입되면 빠른 재결합으로 인해 바로 사라진다.

일함수 (Work function) $\phi$

고체 표면에서 한 개의 전자를 고체 밖으로 빼내는 데 필요한 에너지

반도체의 경우 fermi level에서 부터 전자를 반도체 밖으로 빼내는 데 필요한 에너지이다. 

전자 친화력(electron affinity) $\chi$

Conduction band에 있는 전자를 vacumm level 까지 빼내는 데 필요한 에너지이다.

 

쇼트키 접촉 (Schottky contact)

Rectifying Schottky diodes라고 불리는 쇼트키 접촉은 PN diode와 같은 특성을 보인다.

forward bias가 인가되면 전류가 급격하게 증가하고 reverse bias가 안가되면 전류가 흐르지 않는다. 

Schottky 접촉의 I-V 특성 곡선

쇼트키 접촉은 금속과 반도체의 일함수 차이로 인해 생기는  Schottky barrier 로 인해  전류가 한 쪽 방향으로만 흐르는 특성을 가지고 있다. 

 

먼저 N-type의 경우를 살펴보자.

N-type의 경우 쇼트키 접촉을 형성하기 위해 금속의 일함수가 반도체의 일함수보다 커야한다.($\phi_M>\phi_S$)

사진 출처 :&nbsp;Semiconductor Physics and Devices (Donald A. Neamen)

위와 같은 경우 Schottky barrier로 인해 전자가 넘어가기 어렵다. 이는 금속의 일함수와 전자 친화력의 차 만큼 형성된다. 

반대로 반도체의 전도대에는 PN junction과 같이 Built in potential이 형성되고 금속의 일함수와 반도체의 일함수 만큼 형성된다.

N-type의 경우 접합이 생기면 반도체의 전자가 금속 쪽으로 확산이 일어나고 그로인해 depletion 영역이 형성되고, 에너지 밴드가 휘고, 장벽이 형성된다. 

 

이때 MS junction에 reverse bias를 인가하면

Reverse bias

PN junction과 유사하게 built in potential이 커지게 되고 전자가 장벽을 넘기 힘들어집니다. 

Forward Bias

forward bias를 인가하면 built in potential이 작아지게 되고 전자가 장벽을 넘기 쉬워져 전류의 흐름이 급격하게 발생합니다. 

 

이번에는 P-type의 경우를 살펴보자.

P-type의 경우 쇼트키 접촉을 형성하기 위해 금속의 일함수가 반도체의 일함수보다 작아야한다.($\phi_M<\phi_S$)

N-type과 마찬가지로 접촉으로 인해 schottky barrier가 형성되고 그로인해 정공이 장벽을 넘어 이동하기 어렵다.

사진 출처 :&nbsp;https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ohmic3.png

오믹 접촉 (ohmic contact)

nonrectifying contact이라 불리는 오믹접촉은 옴의 법칙을 따르는 접촉입니다. 따라서 인가해준 전압에 따라 전류가 선형적으로 변하는 특성을 가진다. 반도체 공정에서는 MOSFET을 외부와 연결하기 위해 금속 배선공정 시에 금속-반도체 접합이 이용됩니다.

 

먼저 N-type의 경우를 살펴보자.

N-type의 경우 오믹 접촉을 형성하기 위해 금속의 일함수가 반도체의 일함수보다 작아야한다. ($\phi_M<\phi_S$)

전자의 이동이 반도체에서 금속으로도, 금속에서 반도체로도 수월하기 때문에 인가해준 전압에 따라 전류가 선형적으로 변한다.

사진 출처 :&nbsp;Semiconductor Physics and Devices (Donald A. Neamen)

P-type 반도체는 오픽 접합을 형성하기 위해 금속의 일함수가 반도체의 일함수보다 커야한다. ($\phi_M>\phi_S$)

정공의 이동이 반도체에서 금속으로도, 금속에서 반도체로도 수월하다.

사진 출처 :&nbsp;Semiconductor Physics and Devices (Donald A. Neamen)

 

 

이번 포스팅에서 금속과 반도체가 접촉했을 때 생기는 2가지 contact에 대하여 알아보았다. 다음 포스팅에서는 수식을 이용하여 MS junction을 해석해 보도록 하겠다. 

 

 

 

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작성자: 김현수 / 수정 및 검토: 손동휘, 이현우