#8 Metal-Semiconductor Junction

1. Metal-Semiconductor Junction (MS Junction): Schottky Contact과 Ohmic Contact

1.1. Schottky Contact (쇼트키 접합)

Metal과 lightly doped semiconductor사이의 접합으로 이루어지며 PN 접합과 유사하게 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 Rectifying(정류) 특성을 가진다.

1.2. Ohmic Contact (오믹 접합)

Metal과 heavily doped semiconductor사이의 접합으로 이루어지며 Low-resistance으로 인해 전류가 양방향으로 자유롭게 흐를 수 있는 특징이 있다.

1.3. Metal의 전기적 성질

1.3.1 이동 가능한 전자(mobile charge)의 풍부함

Metal은 에너지 밴드 갭이 없기(E_g = 0) 때문에 Conduction Band와 Valance Band가 겹쳐 있다.이는 Fermi Level이 E_C Level과 E_V Level에 가까이 있다는 의미이며, 이는 금속 내에 많은 자유 전자와 자유 양공이 존재한다는 것을 뜻한다.

이러한 특성 때문에 금속 내부에서는 전하 이동이 매우 활발하게 일어난다.

1.3.2. Excess Carrier의 Recombination

Metal 내부에는 이미 많은 전자와 양공이 존재하기 때문에 excess carrier가 들어오면 바로 recombination이 발생한다. 그로 인해 Metal 내에서 Diffusion Length, L_diff와 lifetime이 0에 가깝다.

1.4. Electron Energy Levels (전자의 에너지 상태)

1. Work Function (일함수, ϕ [V]): 도체 내 electron을 Vaccum Level까지 끌어올리기 위해 필요한 최소 에너지로, 각 물질마다 고유한 값을 가진다.
2. Electron Affinity (전자 친화도, χ [V]): Condunction Band에 있는 electron을 Vaccum Level로 이동시키는 데 필요한 에너지
3. Vacuum Level (진공 레벨, E_0 [eV]): 고체의 전위장 바깥에 있는 전자의 에너지 레벨로 외부에 위치한 상태로, 물질에 전압을 가하면 이 값은 상대적으로 변화할 수 있다.
4. Free State (자유 상태): 고체의 전위에 구속되지 않고 자유롭게 이동할 수 있는 상태를 의미한다.

* Free Electron과 Free State의 차이 *

여기서는 간단히 자유 전자는 물체 내부에서 자유롭게 돌아다닐 수 있고, 자유 상태는 물체를 벗어나 진공 상태에 있음을 나타낸다고 생각하자.

 

2. Schottky Contact (쇼트키 접합)

2.1. N-type 반도체, ϕm​ > ϕs

2.2. P-type 반도체, ϕm​ < ϕs

2.3. Schottky Barriers

 

3. Ohmic Contact

3.1. N-type 반도체, ϕm​ < ϕs

금속의 일함수(Φ)가 반도체의 전도대 에너지보다 낮으면 반도체의 전도대 전자가 금속으로 쉽게 이동할 수 있다. 이렇게 되면 접합부에서 전자 흐름이 원활해져 공핍 영역이 생기지 않고, 저항 없이 전류가 흐르게 다.

 

3.2. P-type 반도체, ϕm​ > ϕs

금속의 일함수를 높게 설정하여 금속의 페르미 준위가 반도체의 가전자대(valence band) 에너지와 맞물리게 하면, 정공(양공)이 금속으로 쉽게 이동할 수 있다.