반도체를 공부하면 기본적으로 알아야 하는 Schottky contact, Ohmic contact, Fermi level pinning에 대해 간단히 정리해보자.
<용어정리>
① work function: 일함수. 여기서는 간단히 Vacuum level과 Fermi level의 차이라고 해두자.
② fermi level: the probability of finding carrier. 캐리어를 발견할 확률로 도핑을 많이 할 수록 레벨이 상승한다.
③ fermi level pinning: 표면이나 다른물질과의 접촉시에 fermi level이 고정되는 현상. 포스팅 중에 더 자세히 설명했고, 제일 아래에 주소를 첨부했으니 참고.
<같은 용어 정리>
Schottky barrier contacts
= Rectifying contacts
= Blocking contacts
Ohmic contacts
= Non-rectifying contacts
= Electrodes
1. Schottky Contact
φm 〉 φs
metal의 work function이 semiconductor의 work function보다 큰 경우의 접합을 Schottky contact이라 한다. metal과 n-type semiconductor을 접합한 경우를 에너지 밴드를 차근차근 그려보며 살펴보자.
먼저, 아래의 그림은 접합하기 전의 에너지 레벨의 상태. metal의 work function이 semiconductor보다 큰 것을 확인했다면, 접합한 후의 상태를 살펴보자.
접합을 하고 나면 metal과의 interface의 존재에 의해 평형조건(equilibrium)에서 Fermi level pinning현상이 일어나고(아래 그림의 라벨 붙인 곳 참고), 아래의 그림처럼 페르미 레벨이 같아지게 된다. 이로 인해 Vacuum level, Conduction band, Valence band의 Band bending이 일어나게 된다.
아래의 빨강색으로 표시한 부분이 바로 Schottky contact에 의해 생겨나는 장벽인데 이를 Schottky Barrier Height(SBH)이라 부른다. 전자의 흐름이 이 쇼트키장벽에 의해 방해를 받게 되고, 이를 접촉저항(contact resistance)이라 한다. 그럼 당연히 전기전도도가 낮아지겠지?
그렇다면, 이것을 어떻게 해결할까? 바로 표면에 electron을 High doping해줌으로써 해결할 수 있다. 아래그림에서, 표면에 전자를 과도핑 해주면(n-type이기 때문에 electron으로) Depletion region의 크기가 감소하게 되고( WD ⇒ WD' ) electron이 얇은 장벽을 통과하는 Tunneling이 일어나게 된다. 그러니 접촉저항은 감소하고 전기전도도가 올라가겠지? 혹시나 해서 interface라고 라벨붙인 곳이 접촉경계면!
2. Ohmic Contact
φm 〈 φs
metal의 work function이 semiconductor의 work function보다 작은 경우를 Ohmic contact이라고 한다. 접합 전의 상태는 다음과 같다.
그리고 접합 후의 상태는 마찬가지로 Fermi level pinning에 의해 Vacuum level, Conduction band, Valence band의 band bending이 일어나는데, 여기서 살펴보아야 할 것이 있다.
노란색으로 표시한 부분과 빨간색 네모로 표시한 부분의 페르미레벨 위치를 비교해보자. ①번의 경우, Ef가 Ec위에 위치해있고, 이를 Degeneracy라고 부른다. ②번 네모의 경우, Ec가 Ef보다 위에 있으므로 neutral상태라고 한다.
※ 추가설명1
책이나 교수님의 피피티는 친절하지 않기 때문에 접합 후의 상황만 아래 그림의 우측처럼 그려놓는다. 위의 포스팅에는 n-type에 대한 설명만 했는데, p-type또한 그려보며 이에 익숙해지기 위해 아래의 필기를 보며 연습해보자.
p-type과 n-type에서 metal과 semiconductor의 일함수차이에 따라 구분할 때, 어떤 게 ohmic이고, 어떤게 schottky(blocking)인지 헷갈리지 말자구!
※ 추가설명2
ohmic contact의 경우 voltage drop이 없으므로 ohmic contact을 지나는 전류는 컨택에 걸린 전압에 대해 선형적인 관계를 갖고, 정류작용을 하지 않는다. (non-rectifying barrier) 즉, 전류의 크기가 변하지 않는 접촉이다.
ohmic 과 schottky의 I-V 관계.
이렇게 Schottky contact과 Ohmic contact을 에너지밴드그림을 그려보며 간단하게 비교해보았다. Ohmic contact을 만들고 싶어도, 일함수차이가 크면 Schottky barrier가 형성되기도 하는데, 이로 인해 생기는 문제와 해결법은 아래에 첨부한 다음 포스팅에서!
※ Fermi level pinning에 대해 더 자세히 알고싶으면 아래주소를 참고!
www.quora.com/What-is-Fermi-level-pinning-and-how-could-it-affect-the-behavior-of-the-semiconductor
What is Fermi-level pinning, and how could it affect the behavior of the semiconductor?
Answer (1 of 4): Fermi-level pinning is something that occurs at metal-semiconductor interfaces. It creates an energy barrier for electrons and holes by bending the bands at the interface. From a technological standpoint, it degrades performance radically
www.quora.com
