압저항 효과

압저항 효과(piezoresistive effect)는 반도체 또는 금속에 기계적 변형이 가해질 때 전기 저항률이 변하는 현상이다. 압전기와 달리 압저항 효과는 전위가 아닌 전기 저항만 변화시킨다.

역사

금속 장치의 전기 저항이 기계적 하중으로 인해 변화하는 현상은 1856년 켈빈 경에 의해 처음 발견되었다. 단결정 규소가 아날로그 및 디지털 회로 설계의 주요 재료가 되면서, 규소와 저마늄에서 큰 압저항 효과가 1954년 (Smith 1954)에 처음 발견되었다.^[1]

메커니즘

전도성 및 반도체 재료에서 변형으로 인한 원자 간 거리의 변화는 띠틈에 영향을 미쳐 전자가 전도띠로 올라가는 것을 더 쉽게(또는 재료와 변형에 따라 더 어렵게) 만든다. 이는 재료의 저항률 변화를 초래한다. 특정 변형 범위 내에서 이 관계는 선형적이므로 압저항 계수는 다음과 같다.

${\displaystyle \rho _{\sigma }={\frac {\left({\frac {\partial \rho }{\rho }}\right)}{\varepsilon }}}$

여기서

∂ρ = 저항률 변화

ρ = 원래 저항률

ε = 변형

은 상수이다.

금속의 압저항

일반적으로 금속의 저항 변화는 주로 가해진 기계적 응력으로 인한 형상 변화 때문이다. 그러나 이러한 경우 압저항 효과는 작더라도 종종 무시할 수 없다. 무시할 수 없는 경우에는 옴의 법칙에서 파생된 간단한 저항 방정식을 사용하여 계산할 수 있다.

${\displaystyle R=\rho {\frac {\ell }{A}}\,}$

여기서

${\displaystyle \ell }$ 도체 길이 [m]

A 전류 흐름의 단면적 [m²]^[2]:p.207

일부 금속은 기하학적 변화로 인한 저항 변화보다 훨씬 큰 압저항을 나타낸다. 예를 들어, 백금 합금의 경우 압저항은 두 배 이상 커서 기하학적 효과와 결합하여 기하학적 효과만으로 인한 것보다 최대 세 배 이상 큰 변형률 게이지 감도를 제공한다. 순수 니켈의 압저항은 -13배 더 커서 기하학적 유도 저항 변화의 부호를 완전히 압도하고 심지어 반전시킨다.

벌크 반도체에서의 압저항 효과

반도체 재료의 압저항 효과는 기하학적 효과보다 몇 배 더 클 수 있으며, 저마늄, 다결정 규소, 비정질 규소, 탄화 규소 및 단결정 규소와 같은 재료에서 나타난다. 따라서 매우 높은 감도 계수를 가진 반도체 변형률 게이지를 만들 수 있다. 정밀 측정을 위해서는 금속 변형률 게이지보다 다루기 어려운데, 이는 반도체 변형률 게이지가 일반적으로 환경 조건(특히 온도)에 민감하기 때문이다.

규소의 경우 게이지 인자는 대부분의 금속에서 관찰되는 것보다 두 배 더 클 수 있다(Smith 1954). N형 규소의 저항은 주로 세 가지 다른 전도 계곡 쌍의 이동으로 인해 변화한다. 이 이동은 다른 이동도를 가진 계곡들 사이에서 전하 운반체의 재분배를 유발한다. 이는 전류 흐름 방향에 따라 달라지는 이동도를 초래한다. 작은 효과는 계곡 모양의 변화와 관련된 유효 질량 변화 때문이다. P형 규소에서는 현상이 더 복잡하며 질량 변화 및 정공 전달도 초래한다.

금속-실리콘 하이브리드 구조에서의 거대 압저항

압저항 계수가 벌크 값을 초과하는 거대 압저항 효과는 미세 가공된 규소-알루미늄 하이브리드 구조에서 보고되었다.^[3] 이 효과는 규소 기반 센서 기술에 적용되었다.^[4]

규소 나노구조에서의 거대 압저항 효과

하향식으로 제작된 규소 나노와이어의 종방향 압저항 계수는 벌크 규소보다 60% 더 큰 것으로 측정되었다.^[5][6] 2006년에는 상향식으로 제작된 규소 나노와이어에서 거대 압저항^[7]이 보고되었는데, 벌크 규소에 비해 종방향 압저항 계수가 30배 이상 증가했다고 한다. 나노구조에서의 거대 압저항 제안은 그 이후 규소뿐만 아니라^{[8][9][10][11][12][13][14]} 다른 기능성 재료에서도^[15] 이 효과에 대한 물리적 이해를 위한 많은 노력을 촉진했다.

압저항 규소 소자

반도체의 압저항 효과는 저마늄, 다결정 규소, 비정질 규소, 단결정 규소 등 모든 종류의 반도체 재료를 사용하는 센서 소자에 활용되었다. 현재 규소는 집적 디지털 및 아날로그 회로의 선택 재료이므로 압저항 규소 소자의 사용이 큰 관심을 받고 있다. 이는 스트레스 센서와 양극성 및 CMOS 회로의 쉬운 통합을 가능하게 한다.

이것은 압저항 효과를 이용한 광범위한 제품을 가능하게 했다. 압력 센서 및 가속도 센서와 같은 많은 상업용 장치는 규소의 압저항 효과를 사용한다. 그러나 그 크기 때문에 규소의 압저항 효과는 단결정 규소를 사용하는 다른 모든 장치의 연구 개발에도 주목받았다. 예를 들어, 반도체 홀 효과 센서는 가해진 기계적 응력으로 인한 신호 기여를 제거하는 방법을 채택한 후에야 현재의 정밀도를 달성할 수 있었다.

압저항기

압저항기는 압저항 재료로 만들어진 저항기로, 주로 기계적 응력 측정을 위해 사용된다. 이들은 가장 간단한 형태의 압저항 장치이다.

제조

압저항기는 다양한 압저항 재료를 사용하여 제조할 수 있다. 가장 간단한 형태의 압저항 규소 센서는 확산 저항기이다. 압저항기는 p- 또는 n-기판 내부에 간단한 두 접점 확산 n- 또는 p-웰로 구성된다. 이러한 장치의 일반적인 면 저항은 수백 옴 범위에 있으므로, 추가 p+ 또는 n+ 확산은 장치에 옴 접점을 용이하게 하는 잠재적인 방법이다.

규소 n-웰 압저항기 기본 요소의 개략적인 단면도.

작동 원리

MPa 범위의 일반적인 응력 값의 경우 저항 양단의 응력 의존성 전압 강하 Vr은 선형으로 간주될 수 있다. 그림에 표시된 x축에 정렬된 압저항기는 다음으로 설명할 수 있다.

${\displaystyle \ V_{r}=R_{0}I[1+\pi _{L}\sigma _{xx}+\pi _{T}(\sigma _{yy}+\sigma _{zz})]}$

여기서 ${\displaystyle R_{0}}$, I, ${\displaystyle \pi _{T}}$, ${\displaystyle \pi _{L}}$, ${\displaystyle \sigma _{ij}}$는 각각 무응력 저항, 인가된 전류, 횡방향 및 종방향 압저항 계수, 그리고 세 가지 인장 응력 성분을 나타낸다. 압저항 계수는 결정학적 축에 대한 센서 방향과 도핑 프로파일에 따라 크게 달라진다. 간단한 저항기의 상당히 큰 응력 감도에도 불구하고, 특정 교차 감도와 단점을 제거하는 더 복잡한 구성에서 선호된다. 압저항기는 비교적 작은 상대 응력 의존성 신호 진폭 변화를 특징으로 하면서 온도 변화에 매우 민감하다는 단점이 있다.

기타 압저항 장치

규소에서 압저항 효과는 압저항기, 변환기, 압전-FET, 고체 가속도계 및 바이폴라 트랜지스터에 사용된다.

전기 전도성 포장 재료인 벨로스타트는 압저항 특성과 저렴한 비용으로 인해 취미 생활자들이 압력 센서를 만드는 데 사용된다.

같이 보기

• 압전기
• 전기저항