4.16 쇼트키 장벽(Schottky Barrier)

4.16.0 쇼트키 장벽  

그림 1. (a) 금속-반도체 N type (b) 금속-반도체 P type

 

 > 금속-반도체 접합의 에너지 밴드 다이어그램은 그림 1과 같다. 

 

 > 전압이 가하지 않았기 때문에 Fermi Level Ef는 평평하다. 

 

 > 접합의 오른쪽 멀리의 에너지 밴드 다이어그램은 N, P type의 것과 같다. 

 

 > 전합 왼쪽은 금속 에너지 밴드이며 Ef 아래에 있는 에너지 상태들은 거의 다 채워져 있고 위는 거의 비어있다. 

 

 > 접합 경계면엔 에너지 장벽이 존재하고 이를 쇼트키 장벽 높이 ∅_B로 묘사된다. 

 

 > 반도체-금속 경계면에는 공핍 층이 존재하며 이 층의 Ef는 Ec, Ev와 가깝지 않다. 

 

 > N-type, P-type의 쇼트키 장벽 높이의 합은 Eg의 근사적으로 동일하다. 

 

 > 쇼트키 장벽 높이는 금속 선택에 따라 변화하며 금속의 일함수와 반도체의 전자 친화력 차이로 정의할 수 있다. 

 

> 일함수는 물체에 빛을 쪼였을 때 전자가 진공을 튀어나오게 하는 최소 에너지를 말한다. 

 

> 진공 Level E0와 Ef의 차이이며 금속의 경우 전자가 가장 꺼내기 쉬운 위치에 존재하고 있다. 

 

> 반도체의 경우 Ef에 전자가 갈 수 있는 에너지 상태가 존재하지 않는다. 

 

> 진공 레벨로 전자가 꺼내는 정의를 Ec에서 E0로 차이로 새로 정의하며 이를 전자 친화력이라고 한다. 

 

 

 > 하지만 쇼트키 장벽의 해당 식은 정성적으로만 일치한다. 

 

 > 이유는 금속-반도체 경계면에서 밴드 갭 내에 높은 밀도의 에너지 상태가 존재하기 때문이다.

 

 > 일반적인 결정의 밴드 갭에선 에너지 상태가 존재하지 않는다. 

 

 > 밴드갭에 존재하는 에너지 상태들은 억셉터, 도너 혹은 중성 전하가 될 수 있다. 

 

 > 즉, Ef가 실리콘 밴드 갭 중앙 부근에 있을 때 순전하가 0이며 이 보다 작거나 크면 경계면에 쌍극자가 생겨 베리어 높이가 달라진다.

 

 > 이는 ∅_B가 0.7V 근방에서 크게 변하지 못하도록 막는 역할을 한고 이를 페르미 준위 고정이라고 한다. 

 

 > 이를 수식으로 재정리 하면 다음과 같다. 

 

그림 2. (a) 이상적인 금속-반도체 접촉 (b) 실제 금속-반도체 접촉 (경계면에서 쌍극자가 존재한다)

 

 > 추가 내용으로 베리어가 생기는 이유는 접합면에서 실리콘에서 금속으로 전자 캐리어의 확산이 일어난다. 

 

 > 확산에 의해 경계면에 캐리어가 없는 공핍층이 생기게 되고 도너들이 상대적으로 양의 전하를 띄게 된다. 

 

 > PN 접합의 Built in Voltage 처럼 전자가 금속에서 실리콘으로 잘 넘어가지 못하는 베리어가 발생한다. 

 

 

 

Reference 

-. Chenming Calvin Hu, Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits, PEARSON(2013)