PN JUNCTION에 대한 기본 정리

이전 포스팅에서 Metal과 Semiconductor의 접합에 대해 자세히 알아보았습니다. 또한 Metal과 Semiconductor가 접합하게되면 물질의 구조 자체가 완전히 다르므로 접합부에서 어떠한 일이 일어날지 예측하기 힘들다고 하였습니다. 반도체 소자를 사용하는 가장 근본적인 이유는 전류를 흘리고 싶을 때 흘리고 흘리지 않고 싶을 때 흘리지 않으려는 것입니다. 그러나 Metal과 Semiconductor의 접합에선 전류를 흘리고 싶을 때 전류의 흐름을 방해하는 요인이 존재하며, 전류를 흘리지 말아야할 때 전류를 흘려버리는 요인이 존재하게 되는데, 이것에 대해 간단하게 먼저 알아보도록 하겠습니다.

 

기본적으로 Metal과 Semiconductor의 고체 구조 자체는 다를 것 입니다. metal은 diamond 구조를 이루지 않을 뿐더러 lattice constant도 달라지게 됩니다. 따라서 Metal과 Semiconductor의 접합부분에서 Semiconductor 부분엔 diamond 구조를 이루기 위한 공유결합을 하지 못한 전자들이 많이 생기게 될 것 입니다. 이러한 전자들이 trap level을 이루게 되며, 전류를 흘려주고 싶을 때 이 trap이 전류의 흐름을 방해하게 되어 원하는 전압 전류 특성을 보이기 힘들게 되버립니다. 반대로 전류를 안흘리고 싶을 땐 leakage current(누설 전류)가 흘러 매우 골치아픈 상황이 발생하게 됩니다. 또한 metal과 semiconductor의 접합부분에 metal도 semiconductor도 아닌 다른 layer가 생겨버릴 수도 있습니다.

 

위에서 보았듯 material이 변할 때, interface에 항상 이상한 일들이 많이 일어나게 됩니다. 따라서 Schottky barrier 또한 측정할 때 마다 항상 값이 달라지게 되버립니다. 그러므로 전류를 흘리고 싶을 때 흘리고, 흘리지 않아야 할때 흘리지 않을 수 있도록 이러한 interface를 control 하는 것이 매우 중요하다는 것을 알 수 있습니다. interface를 control 하는 것은 매우 어려운 일이며, 반도체 소자인 MOSFET보다 BJT가 만들기 쉬울 것임을 예상할 수 있습니다. 실제로도 BJT가 MOSFET보다 먼저 개발되었습니다.

 

Metal과 Semiconductor의 접합에 대한 마지막 내용으로써, 화합물 반도체인 GaAs(갈륨아세나이드)와 Metal의 접합에 대해 간단하게 알아보겠습니다. 위에서 말했듯, Semiconductor의 접합부분엔 공유결합을 이루지 못한 많은 전자들이 존재한다고 했고 이는 전자들이 존재할 수 있는 state이 Semiconductor의 접합부분에 많이 존재한다는 것을 의미합니다. 전자들이 존재하는 state이 GaAs의 surface에 매우 많으므로 이 state들이 전자들을 다 잡아먹게 되어, Conduction band 보다 0.7~0.9eV 낮은 위치에 페르미 레벨 고정시키게 되고, 페르미 레벨이 핀처럼 꼽혀서 움직이지 않는다 하여 이를 pinning effect라고도 합니다. pinning effect에 의해 Schottky barrier는 metal의 work function과 semiconductor의 electron affinity가 아닌, 이 pinning effect에 의해 결정되게 됩니다.

 

금속에 종류에 상관없이 n형 GaAs에서 Fermi level 고정.

 

이제 Hetero junction(이종접합)에 대해 알아보겠습니다.

Hetero란 용어의 의미 부터 파악해 보겠습니다. Heterosextual은 이성애를 말하며 Homosextual은 동성애를 말하는데, Hetero는 그리스어로 다르다 라는 뜻을 가지며 Homo는 그리스어로 같다 라는 뜻을 가집니다. 따라서 Hetero junction은 서로 다른 반도체간의 접합입니다. 우리는 여태 같은 다른 type을 가지는 같은 종류의 반도체의 접합인 Homo junction에 대해서 만 공부했었으나, 이제 서로 다른 semiconductor 간의 junction에 대해 알아보겠습니다.

 

반도체의 종류가 서로 다르다면, Energy gap도 서로 다를것이고 work function도 서로 다를 것 입니다. 그러나 가장 중요한 것은 lattice constant인데 lattice constant가 서로 같은것만 Hetero junction으로써 사용할 수 있습니다. 이러한 pair는 몇 종류 되지 않습니다. 대표적으로 GaAs와 GaAs에서 Ga(갈륨)대신 Al(알루미늄)을 넣은 AlGaAs간의 접합이 있습니다. GaAs에 Ga(갈륨) 대신 Al(알루미늄)을 넣게 되면 GaAs와 lattice constant는 같지만 Energy gap만 증가하게 됩니다. 따라서 두 반도체가 접합을 이루게 되면 Fermi level이 같아지는 과정에서 Energy gap의 차이로 인해 junction의 Energy band에서 불연속이 일어남을 예상할 수 있습니다.

 

실제로 고농도 도핑된 n-type AlGaAs와 저농도로 도핑된 p-type GaAs 접합의 Energy band diagram을 그려보면 다음과 같습니다. 

 

위와 같이 Energy gap의 차이로 인해 Conduction band에 potential well(전위우물)이 형성이 되고 전자들이 potential well에 많이 쌓이게 됩니다. 여기서 중요한 점은 AlGaAs에서 potential well에 쌓이는 전자인데, potential well은 GaAs 내에 있으므로 AlGaAs에서 온 전자는 dopant(양이온)와 분리되게 됩니다. 조금 더 풀어서 말하면, AlGaAs는 고농도로 도핑된 n-type이고 넣어준 dopant에 전자가 bonding을 풀고 나와 자유전자 하나와 고정된 양이온이 생성될 것 입니다. 자유전자가 힘을 받아 움직일 때, 양이온에 이끌려가는 쿨롱힘이 발생하고 이는 자유전자의 움직임을 방해하게 되는데 이것을 impurity scattering 이라 했었습니다. 그러나 AlGaAs의 전자가 GaAs의 potential에 쌓이게 되면 AlGaAS 내의 양이온과 분리되어 impurity scattering을 겪지 않게 되고 결국 전자의 움직임이 방해받지 않아 mobility(이동도)가 매우 높아지게 됩니다. Si(실리콘)과는 아주 다른 성질로써 이러한 반도체 접합을 이용한다면 mobility가 매우 높은 트렌지스터를 만들 수 있고, 이러한 트렌지스터를 HEMT(High electron mobility transistor)라고 합니다.

 

주파수가 높을 수록 더 많은 데이터를 보내주므로 트렌지스터의 속도는 빠를수록 좋습니다. 트렌지스터의 속도가 빨라지려면 channel의 길이가 짧아지거나 mobility가 커져야 하는데, Si(실리콘)의 경우 매우 작게 만들 수 있어 channel의 길이가 매우 짧아지므로 HEMT는 요새 많이 이용되지 않습니다. 하지만 실리콘 처럼 HEMT를 작게 만들거나, 사물인터넷 기술이 많이 발전하여 더 높은 주파수 영역대의 사용이 요구된다면 언젠가는 다시 각광 받을 수 있게 될 것 입니다.

 

이번 포스팅에선 이상적이지 않은 metal과 semiconductor의 interface에서 일어나는 일들과 pinning effect, Hetero junction, HEMT 등에 대해 알아보았습니다.

여태 배운내용들을 통하여 드디어 본격적으로 트렌지스터에 들어갈 준비는 끝났습니다. 지금까지는 트렌지스터를 이해하기 위한 준비과정이 였다고 볼 수 있습니다. 다음 포스팅 부턴 트렌지스터 중에서도 FET(Field effect transistor)들에 대해 알아보겠습니다.