쇼트키 접합

3. 정류 특성

쇼트키 접합은 정류 작용을 하며, 이는 순방향 및 역방향 바이어스 조건에서 다르게 나타난다. 정류 쇼트키 접합에서 장벽은 충분히 높아서 계면 근처 반도체 내에 공핍 영역이 존재한다. 이 때문에 작은 전압에서는 높은 저항을 보이고, 큰 전압에서는 열전자 방출 법칙에 따라 전류가 흐른다.^[6]

순방향 바이어스에서는 열적으로 여기된 전자가 금속으로 유입될 수 있으며, 역방향 바이어스에서는 금속 내 일부 전자가 장벽을 넘어 반도체로 이동하여 작은 누설 전류가 흐른다.

전류-전압 관계는 p-n 접합과 정성적으로 동일하지만, 물리적 과정은 다소 다르다.^[7]

3. 1. 순방향 바이어스

3. 2. 역방향 바이어스

3. 3. 소수 캐리어 주입

4. 응용

쇼트키 배리어 다이오드나 MESFET, 쇼트키 트랜지스터와 같이 쇼트키 접합을 이용한 소자는 반도체 공학 발전에 따라 p-n 접합이 실용화되기 이전부터 발견되어 사용되었다.

쇼트키 접합은 다음과 같이 다양한 소자에 응용된다.

• 쇼트키 배리어 다이오드: 정류 특성을 이용하며, 낮은 순방향 전압 강하가 필요할 때 유용하다. 고효율 DC 전원 장치나 고주파 신호 정류에 사용된다.
• MESFET: 역방향으로 바이어스된 쇼트키 장벽을 사용하여 반도체 내 전도 채널을 조절한다.
• 쇼트키 트랜지스터: 베이스와 컬렉터 사이에 쇼트키 장벽을 가지며, 스위칭 속도가 빠르다.
• 쇼트키 장벽 전계 효과 트랜지스터 (SB-FET): 쇼트키 장벽의 저항을 조절하여 작동하며, 게이트 전압에 따라 전자 또는 홀을 주입하여 전류를 흐르게 한다.
• 탄소 나노튜브 FET: 금속과 탄소 나노튜브 사이의 접촉을 이용해 쇼트키 장벽을 형성한다.

쇼트키 접합을 이용한 소자

구분	소자
현재	쇼트키 배리어 다이오드, MESFET, 쇼트키 트랜지스터
과거	검파기, 셀렌 정류기

4. 1. 다이오드

쇼트키 다이오드는 금속과 반도체의 접합으로 만들어지며, 정류 특성을 이용한다. 낮은 순방향 전압 강하가 필요할 때 쇼트키 다이오드가 유용하다. 예를 들어, 고효율 DC 전원 장치에 사용된다. 또한 다수 캐리어 전도 메커니즘 덕분에 p-n 접합 다이오드보다 스위칭 속도가 빨라 고주파 신호 정류에 적합하다.

4. 2. 트랜지스터

MESFET(금속-반도체 전계 효과 트랜지스터)는 역으로 바이어스된 쇼트키 장벽을 사용하여 반도체 내부에 매립된 전도 채널을 핀치오프하는 공핍 영역을 제공한다(JFET와 유사하며, JFET는 p-n 접합이 공핍 영역을 제공한다).^[1] 이 소자의 변형은 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)이며, 이종접합을 사용하여 매우 높은 전도도를 가진 소자를 제공한다.^[1]

쇼트키 트랜지스터는 베이스와 컬렉터 사이에 쇼트키 장벽이 있는 바이폴라 접합 트랜지스터이다.^[1] 쇼트키 장벽의 접합 전압이 작기 때문에 트랜지스터가 포화되는 것을 방지하여 스위치로 사용할 때 속도가 향상된다.^[1] 이는 쇼트키 및 고급 쇼트키 TTL 계열과 저 전력 변형의 기반이다.^[1]

SB-FET(쇼트키 장벽 전계 효과 트랜지스터)는 두 번째 반도체/금속 계면과 두 접합부를 모두 겹치는 게이트 스택을 도입하여 만든다.^[1] 게이트는 채널 내부의 캐리어 주입을 제어하여 계면에서의 밴드 굽힘, 따라서 쇼트키 장벽의 저항을 조절한다.^[1] 이러한 종류의 소자는 양극성 거동을 하며, 양의 전압/음의 전압 인가에 따라 터널링에 의해 전자/홀 전류가 흐르게 된다.^[1] 게이트 전압을 0V로 설정하면 터널링 전류가 억제되고 열전자 현상으로 인한 더 낮은 전류만 허용된다.^[1]

4. 3. 기타 응용

쇼트키 다이오드는 정류 특성을 위해 사용되는 금속-반도체 접합이다. 낮은 순방향 전압 강하가 필요할 때 쇼트키 다이오드가 가장 적합하며, 다수 캐리어 전도 메커니즘 덕분에 p-n 접합 다이오드보다 빠른 스위칭 속도를 가져 고주파 신호 정류에 적합하다.

쇼트키 장벽 전계 효과 트랜지스터(SB-FET)는 쇼트키 장벽의 저항을 조절하여 작동한다. 이 소자는 양극성 거동을 보이며, 게이트 전압에 따라 전자 또는 홀을 주입하여 전류를 흐르게 한다. 하지만, 열전자 방출로 인한 전류 때문에 소자를 완전히 끄기 어렵고, 쇼트키 접촉의 저항으로 낮은 온 전류를 가지는 특징이 있다.

쇼트키 트랜지스터는 베이스와 컬렉터 사이에 쇼트키 장벽을 가진 바이폴라 접합 트랜지스터이다. 쇼트키 장벽의 낮은 전압은 트랜지스터의 포화를 방지하여 스위칭 속도를 향상시킨다.

MESFET은 역 바이어스된 쇼트키 장벽을 사용하여 반도체 내 전도 채널을 조절한다. 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 이종접합을 사용하여 매우 높은 전도도를 가진 소자를 제공한다.

쇼트키 장벽 탄소 나노튜브 FET는 금속과 탄소 나노튜브 사이의 접촉을 이용해 쇼트키 장벽을 형성하여 독특한 특성을 가진 소자를 제작한다.

쇼트키 장벽은 반도체의 특성 분석에도 사용된다. 공핍 영역의 커패시턴스 변화를 통해 도펀트 및 결함 정보를 얻을 수 있으며, 커패시턴스 전압 프로파일링, 심준위 과도 분광법 등의 기술이 활용된다.

과거에는 검파기나 셀렌 정류기 등에 쇼트키 접합이 사용되었다.

쇼트키 접합을 이용한 소자

구분	소자
현재	쇼트키 배리어 다이오드, MESFET, 쇼트키 트랜지스터
과거	검파기, 셀렌 정류기

참조

_[1] 논문 The physics and chemistry of the Schottky barrier height
_[2] 웹사이트 Schottky barrier tutorial http://academic.broo[...]
_[3] 서적 Device Electronics for Integrated Devices Wiley
_[4] 서적 Physics of semiconductor devices. http://worldcat.org/[...] John Wiley & Sons 2007
_[5] 웹사이트 Barrier Height Correlations and Systematics http://academic.broo[...]
_[6] 서적 Fundamentals of Solid-State Electronics World Scientific
_[7] 서적 Semiconductor Physics and Applications Oxford University Press
_[8] 논문 Minority carrier injection and charge storage in epitaxial Schottky barrier diodes
_[9] 문서 metal - semiconductor junction