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디바이스 전극재료와 일함수

전문가 제언: ○ 원소가 에너지(빛 또는 열)를 받으면 원자외각의 자유에너지가 떨어져 나오는 열전자(또는 광전자) 방출을 일으킨다. 이때 전자가 떨어져 나오는데 필요한 에너지 준위가 일함수(work function)이다. 일함수는 같은 물질 중에서도 표면에 있는 것과 내부에 있는 것이 서로 다르다.

– 내부에 있는 것은 전자를 방출시켜도 표면에 있는 물질에 부딪쳐 외부로 방출되지 않는다. 또한 물질의 종류에 따라서도 전자를 방출하기 위한 에너지 준위가 다르다. 이것은 원자를 싸고 있는 전자들 사이의 거리, 응집력, 결합력 등이 다르기 때문이다.

– 분자량이 크면 응집력이 커서 전자방출 에너지 즉 일함수가 크고 분자량이 작으면 일함수가 작다. 전자방출을 위해 열을 공급하면 용융점이 낮은 물질(금속)은 전자방출 전에 용융하는데 W(tungsten)는 전도율이 높지만 용융점(약 3,600℃)이 높아 필라멘트 등 전자방출용 소자로 많이 이용되고 있다.

○ 일함수는 금속의 종류에 따라 결정되는 일종의 결합에너지이고 전자가 가득한 최고 준위(페르미 준위)와 외부전위의 차이 φ를 말한다. W의 φ는 4~5eV이고 진공관 속의 절대온도 T인 필라멘트에서 열전자 방출 시의 전류는 exp(-φ/kT)로 φ값에 대단히 민감하다.

– W에 Th(thorium)을 넣은 것이나 SrO, BaO 등에서는 φ가 1eV 정도로 낮은 것도 있다. 또한 φ값은 열전자 방출의 온도변화를 측정하여 구할 수 있다. 단결정에서 φ의 값은 결정면에 따라 다르며 외부로부터 빛을 조사하여 광전자를 방출시키는 방법에 의해 측정할 수 있다.

○ 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 동작(on-off)을 제어하는 문턱전압은 게이트 전극재료의 일함수로 제어할 수 있으나 pMOS와 nMOS에는 서로 다른 일함수를 갖는 재료를 사용하여야 한다. 그러므로 금속재료를 이용하여 일함수를 제어하고자 하는 시도가 한국 및 선진 각국에서 꾸준히 진행되고 있다.

저자: Michiko YOSHITAKE
자료유형: 학술정보