Chapter 9 - 3. 정류형 금속-반도체 접합의 특성
쇼트키 다이오드(Schottyky diode): 금속과 반도체로 이루어진 접합 다이오드
- 금속 - n형 반도체로 이루어진 n형 쇼트키 접합의 에너지 대역도
금속 - 반도체 접합에서도 두 영역에 존재하는 전자와 정공 농도 차이에 의한 페르미 준위의 차이가 발생한다. 따라서 열평형 상태에 내부 전계와 경계면에 에너지 장벽이 형성된다.
쇼트키 장벽
n형 쇼트키 접합에서 금속의 전자에 대한 에너지 장벽
n형 반도체의 도핑 농도와 관계가 없이 금속의 일함수와 반도체의 전자 친화도에 영향을 받는다.
- 순방향 전압이 인가되었을 때
에너지 장벽이 낮아져서 전자가 반도체에서 금속으로 이동한다. 따라서 금속에서 반도체로 순방향 전류가 흐른다.
- 역방향 전압이 인가되었을 때
에너지 장벽이 높아져서 전자가 반도체에서 금속으로 이동하기 어려워진다. 따라서 작은 역방향 누설 전류가 흐른다.
쇼트키 에너지 장벽은 쇼트키 다이오드의 전기적 특성을 결정하는 중요한 요소이다. 쇼트키 장벽을 높게 하면 쇼트키 다이오드의 성능을 높일 수 있다.
n형 반도체의 공간전하 영역
n형 반도체의 공간전하 영역의 폭은 금속과 반도체의 페르미 준위의 차이가 클수록 넓어진다.
이 차이는 n형 반도체의 도핑 농도, 금속의 일함수, 내부 전계에 따라 달라진다.
- 인가 전압의 방향
n형 쇼트키 접합에 순방향 전압이 인가되었을 때 에너지 장벽이 낮아져서 공간전하 영역의 폭은 줄어든다.
n형 쇼트키 접합에 역방향 전압이 인가되었을 때 에너지 장벽이 높아져서 공간전하 영역의 폭은 늘어난다.
- n형 반도체의 도핑 농도
n형 반도체의 도핑 농도가 높을수록 공간전하 영역의 폭은 줄어들고 전압 변화에 따른 그 폭의 변화도 작아진다.
- 쇼트키 다이오드의 열방출 이론(thermionic emission theory)
열방출에 이론 (thermionic emission theory)
n형 쇼트키 다이오드 기준으로 순방향 전압이 인가되었을 때 전자가 반도체에서 금속으로 낮아진 에너지 장벽을 넘어서는 것
pn접합 다이오드의 전류-전압 특성은 드리프트 및 확산 전류를 통해 이해한다. 쇼트키 다이오드의 전류-전압 특성은 열방출 이론을 통한 캐리어의 이동을 통해 이해한다.
요약
금속 - 반도체로 이루어진 쇼트키 다이오드는 pn접합 다이오드와 전기적 특성이 다르다.
pn 접합 다이오드에서 전류가 흐르는 방식은 드리프트 및 확산 전류이지만 쇼트키 다이오드에서 전류가 흐르는 방식은 열방출에 의한 이동이다.
참고
쇼트키 다이오드의 활용
쇼트키 다이오드는 반도체 집적회로에 사용된다. 그 이유는 pn다이오드와 비교해 제조공정이 간단하고 과잉 소수 캐리어의 축적에 의한 스위칭 지연시간이 짧기 때문이다. 따라서 빠른 신호의 응답 및 처리가 가능하기 때문에 MSM (Metal-Semiconductor-metal) 광감지 소자 및 초고주파용 소자에 주로 사용된다. 또한 화합물 반도체 전계효과 트랜지스터를 구현할 때도 사용되고 있다.
쇼트키 다이오드의 역방향 포화 전류에 영향을 미치는 요소
- 접합의 단면적
- 동작 온도
- 금속과 반도체 접합의 쇼트키 에너지 장벽
- 리처드슨 상수 (Richardson constant)
리처드슨 상수는 전도 대역 전자의 유효질량에 의해 결정된다.
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