[반도체] Zener Diode, Schottky Diode(+Ohmic contact)

[Zener diode]

Zener diode는 Diode의 일종으로 정류 Diode(PN diode)와 유사한 구조이며 Zener breakdown 현상을 이용해 만든 Diode이기 때문에 강한 도핑이 되어 있습니다. 정류 Diode와 비슷한 IV curve를 갖고 있지만 역방향 전압을 걸었을 때 차이가 나타납니다. 정류 diode는 일정 전압 이상의 역방향 전압을 걸었을 때 회로가 망가집니다. 하지만 이와 달리 Zener diode는 PN diode와 다르게 Breakdown 영역에서도 diode가 파괴되지 않고 역방향 Turn on 동작을 만들 수 있습니다. 그리고 아래의 IV 곡선을 보면 매우 낮고 일정한 항복 전압을 특성을 가지며 넓은 전류 범위에서 안정적인 전압 특성도 가지고 있기 때문에 회로의 과전압 보호 소자로 사용됩니다. 그러나 Zener diode도 일정 전류 이상(Iz(max))에서는 망가지기 때문에 전류 제한 저항을 사용하여야합니다.

아래 IV 곡선을 보면서 좀 더 설명하자면, 보통의 PN diode에서 Avalanche effect가 나타나는 전압(Vza)보다 더 낮은 전압(Vz)에서 Zener effect이 나타나며 유실전류의 양도 더 적습니다. 또한, Zener diode는 breakdown region에서 전류의 양이 증가하더라도(단, Iz(min)~Iz(max)) 출력 값이 Vz의 전압으로 고정되어 안정된 값을 가지게 됩니다. 즉, 예를 들어 10V의 전압을 필요로 할 때 20V가 나오는 콘센트에 10V 짜리의 Zener diode를 사용해도 어차피 출력값은 10V이기 때문에 이 소자는 사용 가능합니다. 하지만 10V의 전압을 필요로 하는데 5V가 나오는 콘센트에 10V 짜리의 Zener diode를 사용한다면 해당 Zener diode는 항복전압까지 도달하지 못하여 이 상황에서는 사용할 수가 없게 된다는 말입니다.

 

[Schottky diode]

Schottky diode는 N type 반도체에 Metal을 접합시켜 만든 diode로 접합부에 한 쪽은 금속화합물, 다른 한 쪽은 실리콘으로 도핑된 구조이기 때문에 공핍영역이 거의 없습니다. 그리고 Shottky diode를 만들 때 주로 많이 사용하는 금속화합물은 Silicide로 굉장히 낮은 저항을 갖고 있으며 PN diode보다 낮은 전위 장벽을 가지고 있어 더 낮은 전압에서도 전류를 흐르게 할 수 있습니다. 하지만 Reverse bias에서는 Minority carrier(Hole)의 영향이 없기 때문에 Diode 전도가 매우 빠르게 중지되고 전류를 차단합니다. 이처럼 Shottky diode는 Bias의 변화에 빠르게 반응하고 저저항에서 고저항으로 갈 때 역회복 시간이 빨라 스위칭 손실(Reverse recovery loss)가 낮습니다. 또한, 아래의 IV curve를 통해 알 수 있듯이 Shottky diode는 PN diode보다 Forward bias에서는 누설 전류가 적어 태양광 발전 패널 등에 사용할 수 있지만 Reverse bias에서는 누설 전류가 PN diode보다 증가해 발열이 생기기 때문에 이를 Control하는 기술이 중요합니다.

그 다음 Onmic contact이라는 것이 있는데 이를 설명하기에 앞서 두 가지 개념을 설명하겠습니다. 먼저, Schottky diode에는 Vacuum level이라고 하는 진공 준위가 있는데 이것은 전자를 진공으로 멀리 떼어낼 때까지의 에너지 레벨을 말합니다. 그리고 Work function이라고 하는 것은 진공 준위와 페르미 레벨의 에너지 차이, 즉, 표면에 있는 전자를 Vaccum까지 떼어내는데 필요한 에너지를 말합니다.

 Schottky diode는 Schottky contact(a)을 이용하는데 이것은 Vacuum level과 Metal의 Fermi level의 차인 ΦM이 Vacuum level과 N-type 반도체의 Fermi level의 차인 ΦS 보다 큰 경우를 말합니다. ΦM이 ΦS 보다 크다는 말은 Metal의 Fermi level이 N-type의 Fermi level보다 더 아래에 있다는 말입니다. Fermi level은 평행을 이뤄야 하기 때문에 반도체의 Fermi level이 전반적으로 내려오게 됩니다. 이 때, 반도체 뒷부분은 결합 전과 똑같지만 앞 부분은 고정이 되어있기 때문에 휘게 됩니다. 아래 그림(a)에서와 같이 전압을 가해주지 않으면 Conduction band에 있던 전자의 이동으로 접합부에는 전자가 없어 저항이 높아지게 됩니다. 반대로, Ohmic contact(b)이라는 것이 있는데 이것은 ΦM이 ΦS보다 작은 경우를 말합니다. 이 경우는 N-type 쪽의 carrier(자유전자)들이 Metal 쪽으로 아주 쉽게 이동이 가능하지만 자연적으로 존재할 가능성이 거의 없습니다. 그래서 Doping 공정으로 인위적으로 생성합니다. 반도체에 high doping을 해주면 공핍 영역이 감소해 전자 이동을 향상됩니다. 즉, Doping을 세게 해서 tunneling을 통해 양방향 동일한 저항성을 가지게 하는 전류흐름을 얻을 수 있습니다.