쇼트키 컨택(Shottky Contact)과 오믹 컨택(Ohmic Contact): 두 가지 전기적 접촉 방식에 대해 알아보자

 

 

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안녕하세요.

반도체 공학에서 중요한 개념 중 하나는 바로 전기적 접촉입니다. 전기적 접촉은 반도체와 금속 간의 접합을 의미하며, 이는 반도체 소자의 성능을 결정짓는 중요한 요소입니다. 오늘은 두 가지 주요 전기적 접촉 방식인 쇼트키 컨택(Shottky Contact)과 오믹 컨택(Ohmic Contact)에 대해 자세히 알아보겠습니다.

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※1. 쇼트키 컨택(Shottky Contact)란?

쇼트키 컨택은 금속과 반도체가 접촉했을 때 쇼트키 장벽(Schottky Barrier)이 형성되며, 비선형적인 전류-전압 특성을 나타냅니다. 주로 정류 특성(전류가 한 방향으로만 흐르게 함)이 필요한 소자에서 사용됩니다. 

▶1. 형성 원리: 

쇼트키 컨택은 금속의 일함수(work function)와 반도체의 전자 친화도(electron affinity) 차이에 의해 발생합니다. 금속과 반도체가 접촉할 때 전자들이 금속이나 반도체로 이동하며 공핍 영역(Depletion Region)이 형성되고, 전도대와 밴드 구조가 구부러집니다. 이로 인해 전류 흐름에 장벽이 생깁니다.

 

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+) 참고

• 금속의 일함수(ΦM): 전자를 금속 내부에서 진공으로 꺼내는 데 필요한 에너지.
• 반도체의 일함수(ΦS): 반도체에서 진공까지 전자를 꺼내는 데 필요한 에너지.
• 금속의 일함수(ΦM)가 반도체의 일함수(ΦS)보다 크거나 작을 때 쇼트키 장벽이 형성됩니다.

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반도체가 N-type일 경우와 P-type일 경우를 나누어 확인해 보겠습니다.

 

[Case1] N-type의 Semiconductor의 경우

1. 접촉 전의 상태

• 금속의 일함수(ΦM): 금속 내부 전자를 진공으로 꺼내는 데 필요한 에너지.
• 반도체의 전자 친화도(χ): 반도체 전도대에서 전자를 진공으로 꺼내는 데 필요한 에너지.
• 접촉 전에는 금속과 N형 반도체의 페르미 준위(EFE_FEF​)가 서로 다른 위치에 있습니다.

 

 

2. 접촉 후의 상태

1. 전자 이동:
   • 금속의 일함수(ΦM​)가 반도체의 전자 친화도(χ)보다 크면, 반도체 내 전자가 금속으로 이동합니다.
   • 이로 인해 반도체 표면에 공핍 영역이 형성됩니다.
2. 쇼트키 장벽 형성:
   • 금속과 반도체 사이에 장벽(ΦB)이 형성됩니다.
   • 쇼트키 장벽 높이는 다음과 같습니다: ΦB=ΦM​−χ

 

• 순방향 바이어스(Forward Bias):
  금속이 양전압을 가지면 전자들이 쇼트키 장벽을 극복하며 금속으로 이동합니다 → 전류 흐름이 쉬움.
• 역방향 바이어스(Reverse Bias):
  금속이 음전압을 가지면 전류 흐름이 크게 제한됩니다 → 정류 특성 발생.

 

 

[Case2]  P-type의 Semiconductor의 경우

1. 접촉 전의 상태

• 금속의 일함수(ΦM): 금속에서 전자를 진공으로 꺼내는 데 필요한 에너지.
• P형 반도체의 전자 친화도(χ): P형 반도체의 전도대에서 전자를 진공으로 꺼내는 데 필요한 에너지.
• P형 반도체의 페르미 준위(EF​)는 가전자대(EV​)에 가까운 위치에 있습니다.

 

2. 접촉 후의 상태

P형 반도체와 금속이 접촉하면, 정공(Hole)의 이동으로 인해 밴드 구조가 변화하고 쇼트키 장벽(Schottky Barrier)이 형성됩니다.

1. 정공 이동:
   • 금속의 일함수(ΦM​)가 P형 반도체의 일함수보다 크면, 금속으로부터 정공이 반도체로 이동합니다.
   • 이로 인해 반도체 표면에 공핍 영역(Depletion Region)이 형성됩니다.
2. 쇼트키 장벽 형성:
   • 금속과 반도체 사이에 장벽이 생기며, 정공이 금속으로 이동하기 위해 극복해야 할 에너지가 발생합니다.
   • 쇼트키 장벽 높이(ΦB)는 다음과 같이 정의됩니다.

     

 

3. 에너지 밴드 변화:

• 접촉 후, 반도체의 가전자대(EVE_VEV​)가 아래로 구부러지며 쇼트키 장벽이 형성됩니다.
• 이는 정공이 금속으로 쉽게 이동하지 못하도록 제한하는 역할을 합니다.

• 순방향 바이어스(Forward Bias):
  금속이 음전압을 가지면, 쇼트키 장벽이 낮아져 정공이 금속으로 쉽게 이동합니다 → 전류 흐름 가능.
• 역방향 바이어스(Reverse Bias):
  금속이 양전압을 가지면, 쇼트키 장벽이 더 높아져 정공 이동이 제한됩니다 → 전류 흐름 차단.

 

 

 

▶2. 특징:

 

- 전류는 주로 전자 방출(Thermionic Emission)을 통해 흐릅니다.

- 정류 특성으로 인해 다이오드, 전력 소자에서 많이 활용됩니다.

- 고속 스위칭에 유리합니다.

 

 

 

▶3. 응용 사례:

- 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)

- 고주파 회로 및 전력 변환 소자

- 광학 센서

 

 

 

 

 

※2. 오믹 컨택(Ohmic Contact)란?

오믹 컨택은 금속과 반도체 간 접촉에서 저항이 낮고 선형적인 전류-전압 특성을 가지며, 전류가 양방향으로 자유롭게 흐를 수 있습니다. 소자의 전원 입력, 출력 단자 등에 주로 사용됩니다. 

▶1. 형성 원리:

오믹 컨택은 금속과 반도체의 일함수 차이가 작거나, 도핑 농도가 매우 높은 반도체(고농도 도핑)가 사용될 때 형성됩니다. 이 경우 공핍 영역이 얇아지거나 사라지며 전자/정공의 흐름이 방해받지 않습니다.

 

 

(1) 금속과 반도체의 일함수 차이가 작은 경우

• 금속의 일함수(ΦM)가 반도체의 전자 친화도(χ)에 근접하거나 낮을 때, 쇼트키 장벽이 거의 생기지 않습니다.
• 이 경우 공핍 영역이 얇거나 없어지면서 전자나 정공이 쉽게 이동할 수 있습니다.

반도체가 N-type일 경우와 P-type일 경우를 나누어 확인해 보겠습니다.

 

[Case1] N-type의 Semiconductor의 경우

오믹 컨택은 금속과 반도체 간 접촉에서 선형적인 전류-전압 특성을 가지는 접촉 방식입니다. N형 반도체의 경우, 금속의 일함수(ΦM)가 반도체의 전자 친화도(χ) 보다 작을 때, 금속에서 반도체로 전자가 쉽게 이동하여 공핍 영역이 형성되지 않고 전류가 자유롭게 흐릅니다. 에너지 밴드가 접촉 부근에서 아래로 휘어져 전도대와 금속의 전자 에너지가 잘 정렬되므로 저항이 낮은 접촉이 가능합니다. 이를 통해 전기 신호가 효율적으로 전달됩니다.

 

 

[Case2]  P-type의 Semiconductor의 경우

오믹 컨택은 금속과 반도체가 접촉하여 전류-전압 특성이 선형적인 접촉을 형성하는 방식입니다. P형 반도체의 경우, 금속의 일함수(ΦM)가 반도체의 일함수보다 클 때, 금속으로부터 반도체로 정공(Hole)이 자유롭게 이동하여 공핍 영역이 형성되지 않습니다. 접촉 부근의 에너지 밴드가 위로 휘어져 가전자대와 금속의 정공 에너지가 잘 정렬되므로 전류 흐름에 대한 저항이 낮아집니다. 이를 통해 신호 전송이 효율적으로 이루어집니다.

 

 

 

 

※3. 쇼트키 컨택과 오믹 컨택의 비교

특성	쇼트키 컨택 (Schottky Contact )	오믹 컨택 ( Ohmic Contact )
전압-전류 특성	비선형 (정류 특성)	선형 (양방향 흐름 가능)
형성 조건	금속-반도체 일함수 차이 존재	고농도 도핑 또는 일함수 차이 작음
주된 역할	정류, 신호 처리	전원 및 신호 연결
응용 분야	다이오드, 전력 소자, 센서	트랜지스터, LED 전극

 

 

 

 

 

※4. 실제 설계에서의 중요성

▶1. 소자 성능에 미치는 영향

- 쇼트키 컨택은 빠른 스위칭과 정류 특성이 필요한 경우 적합하지만, 과도한 쇼트키 장벽은 전류 흐름을 제한할 수 있습니다.

- 오믹 컨택은 전류 흐름을 원활히 하지만, 접촉 저항을 최소화하기 위해 도핑 농도나 금속 선택에 신중해야 합니다.

 

 

 

 

▶2. 제조 공정

- 오믹 컨택을 형성하기 위해 반도체 표면에 열처리(Annealing)나 금속 스퍼터링 등의 공정이 활용됩니다.

- 쇼트키 컨택의 경우, 금속의 일함수를 조절하거나 반도체의 표면 상태를 제어하는 방식으로 특성을 개선합니다.

 

 

 

쇼트키 컨택과 오믹 컨택은 반도체 소자의 접촉 특성을 결정짓는 핵심 요소로, 용도와 요구되는 특성에 따라 적절히 설계해야 합니다. 쇼트키 컨택은 신호 처리와 정류가 필요한 소자에, 오믹 컨택은 전기적 연결과 효율성이 중요한 소자에 주로 사용됩니다.

이 두 접촉 방식에 대한 정확한 이해와 설계는 고효율 반도체 소자 개발에 필수적입니다.

 

이상으로 쇼트키와 오믹 컨택에 대한 포스팅을 마치겠습니다. 감사합니다.