KR100576704B1 - 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로 - Google Patents

급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로 Download PDF

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Abstract

본 발명의 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로는, 전원과, 급격한 금속-절연체 상전이형 소자와, 그리고 저항요소를 구비한다. 급격한 금속-절연체 상전이형 소자는, 전원에 연결되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며, 제1 전극 및 제2 전극 사이에 전계가 인가됨에 따라 급격한 금속-절연체 상전이 특성을 나타낸다. 그리고 저항요소는 전원과 급격한 금속-절연체 상전이형 소자 사이에 연결되어 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 관통하는 대량의 전류를 제어한다. 이에 따르면 급격하게 발생하는 대량의 전류에 의해 급격한 금속-절연체 상전이형 소자가 파탄되는 현상을 방지할 수 있으며, 다양한 응용분야에 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로를 적용할 수 있게 된다.
금속-절연체 상전이, 모트 트랜지스터, 대전류 제어회로

Description

급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로{Cuurrent control circuit including abrubt a metal-insulator-transition type devices}
도 1은 급격한 금속-절연체 상전이형 소자의 전계-전류밀도 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로를 나타내 보인 도면이다.
도 3은 도 2의 급격한 금속-절연체 상전이형 소자의 단면 구조를 나타내 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로의 전압-전류밀도 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로의 전압-전류밀도 특성을 나타내 보인 그래프이다.
본 발명은 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로에 관한 것이다.
최근 채널길이를 감소시키는데 한계를 나타내는 기존의 모스전계효과트랜지스터(MOSFET)를 대신하여 연속적 금속-절연체 상전이를 일으키는 모트 절연체(Mott insulator)를 채널층으로 사용하는 모트전계효과트랜지스터가 제안된 바 있다. 그리고 이 모트전계효과트랜지스터는, 연속적으로 발생되는 금속-절연체 상전이를 이용하므로, 금속적 특성이 가장 잘 나타낼 때까지 연속적으로 전하운반자로 이용될 전자 도는 정공(hole)을 첨가하여야 하며, 따라서 첨가하는 전하가 고농도이어야 하는 제약이 있다. 따라서 최근에는 연속적인 금속-절연체 상전이를 나타내는 절연체 대신에 일정 조건하에서 급격한 금속-절연체 상전이 특성을 나타내는 절연체를 이용하는 방법이 제안되었으며, 이는 미국 특허번호 제6,624,463호에 개시되어 있다. 여기에 개시되어 있는 전계효과트랜지스터는, 적은 농도의 정공 주입으로 급격한 금속-절연체 상전이 특성을 보여준다.
도 1은 이와 같이 급격한 금속-절연체 상전이를 나타내는 물질을 이용하여 제작한 소자의 전계-전류밀도 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 1을 참조하면, 상기 소자의 양단에 일정 크기, 예컨대 대략 7MV/m의 전계(Efield)를 인가하면, 급격한 금속-절연체 상전이형 소자는 절연체에서 금속으로 급격하게 상전이하고, 소자의 양단에는 대량의 전류가 흐른다. 이와 같이 한계 이상의 큰 전류가 흐르게 도면 소자가 견디지 못하고 파탄(failure)될 수도 있다. 본 명세서에서는, 상기와 같이 일정크기 이상의 전계가 인가됨에 따라 급격하게 절연-금속체 상전이를 발생시키는 소자를 “급격한 금속-절연체 상전이형 소자”라고 정의하기로 한다.
지금까지 설명한 바와 같이, 급격한 금속-절연체 상전이형 소자는 급격한 금속-절연체 상전이로 인하여 대량의 전류가 급작스럽게 발생하며, 따라서 이 대량의 전류에 견디지 못할 경우, 이들 소자의 응용에 있어서 대량의 전류를 제어할 수 있는 제어회로가 반드시 요구되고 있는 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 급격한 금속-절연체 상전이형 소자에 흐르는 대량의 전류를 잘 제어하여 급격한 금속-절연체 상전이형 소자가 파탄되지 않도록 하는 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로는, 전원; 상기 전원에 연결되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며, 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 전계가 인가됨에 따라 급격한 금속-절연체 상전이 특성을 나타내는 급격한 금속-절연체 상전이형 소자; 및 상기 전원과 상기 급격한 금속-절연체 상전이형 소자 사이에 연결되어 상기 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 관통하는 대량의 전류를 제어할 수 있는 저항요소를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 저항요소는 상기 급격한 금속-절연체 상전이형 소자와 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.
상기 저항요소는 저항기인 것이 바람직하다. 이 경우 상기 저항기는 가변저항기인 것이 바람직하다.
경우에 따라서 상기 저항요소는 저항기로 사용될 수 있는 평면형 소자 패턴일 수도 있다.
상기 급격한 금속-절연체 상전이형 소자는, 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 급격한 금속-절연체 상전이 특성을 갖는 절연체막이 배치되는 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 절연체는 바나듐옥사이드(Vanadium Oxide)를 포함할 수 있다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예들은 여러가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 따라서 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다.
도 2는 본 발명에 따른 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로를 나타내 보인 도면이다. 그리고 도 3은 도 2의 급격한 금속-절연체 상전이형 소자의 단면 구조를 나타내 보인 도면이다.
먼저 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전류제어회로는, 전원(100)과, 급격한 금속-절연체 상전이형 소자(200)와, 그리고 저항요소(resistive element)(300)를 포함하여 구성된다. 전원(100)은 직류전원일 수도 있고 교류전원일 수도 있다. 직류전원인 경우 한 방향으로만 전류를 흐르게 하고, 교류전원인 경우에는 양 방향으로 전류를 흐르게 한다. 급격한 금속-절연체 상전이형 소자(200)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(210)상에 급격한 금속-절연체 상전이 특성을 갖는 절연체(220)가 박막 형태로 배치되고, 절연체(220)의 양단에는 각각 제1 전극(230) 및 제2 전극(240)이 배치되는 구조를 갖는다. 기판(210)은 사파이어(Al2O3)기판일 수 있으며, 또는 실리콘(Si)기판일 수도 있다. 그 밖의 다른 물질로 이루어진 기판을 사용할 수도 있다는 것은 당연하다. 절연체(220)는 바나듐디옥사이드(VO2)를 포함한다. 저항요소(300)는 제어가능한 저항역할을 수행할 수 있는 요소이며, 대표적으로 저항기(resistor)를 포함한다. 특히 저항요소(300)는 저항값(R; Resistance)을 쉽게 조절할 수 있는 가변저항기일 수 있다. 경우에 따라서 저항요소(300)는 저항기로 사용될 수 있는 평면형(planar) 소자패턴일 수 있다. 이 평면형 소자패턴은 저항값이 길이에 비례하는 성질을 이용하며, 굴곡이 많은(meander type) 전송선, 다양한 평면형 인덕터(교류저항) 등을 만들어 연결시킴으로써 저항특성을 보이도록 하는 것이다. 이 경우 저항값은 전송선의 길이나 평면형 소자의 갯수 등을 조절함으로써 제어할 수 있다.
이와 같은 전류제어회로의 동작을 설명하면, 전원(100)에 의해 급격한 금속-절연체 상전이형 소자(200)의 제1 전극(230) 및 제2 전극(240) 양단에 일정크기의 전계가 인가되면, 급격한 금속-절연체 상전이형 소자(200)의 절연체(220)는 급격한 금속-절연체 상전이 현상을 겪으면서 표면에 전류이동경로(도 3에서 점선으로 된 화살표로 표시)를 형성한다. 그리고 이 전류이동경로를 통해 제1 전극(230)으로부터 제2 전극(240)으로 대량의 전류가 이동된다. 이때 저항요소(300)에 의해 전류량이 감소되며, 즉 제어되며, 따라서 급격한 금속-절연체 상전이형 소자(200)가 파탄에 이르지 않을 정도의 전류만이 흐를 수 있도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로의 전압-전류밀도 특성을 나타내 보인 그래프이다. 도 4에서 가로축은 제1 전극(230) 및 제2 전극(240) 사이에 인가되는 전압(V)이며, 세로축은 제1 전극(230) 및 제2 전극(240) 사이를 흐르는 전류밀도(J)이다.
도 4의 테스트에 사용된 급격한 금속-절연체 상전이형 소자(200)는, 사파이어(Al2O3)기판(210) 및 바나듐디옥사이드(VO2) 절연체(220)를 갖는 소자로서, 제1 전극(230) 및 제2 전극(240) 사이의 채널길이는 5㎛이고 채널폭은 25㎛인 경우이다. 도 4에서 참조부호 “●”로 표시한 선은 저항요소(300)의 저항값(R)이 1.0㏀인 경우이고, 참조부호 “▲”로 표시한 선은 저항요소(300)의 저항값(R)이 2.5㏀인 경우이며, 그리고 참조부호 “▼”로 표시한 선은 저항요소(300)의 저항값(R)이 5.0㏀인 경우를 각각 나타낸다. 도 4에서 알 수 있듯이, 급격한 금속-절연체 상전이형 소자(200)가 절연체상태(도면에서 I로 표시)로 있는 경우에는 저항요소(300)의 저항값(R)이 다르더라도 큰 차이가 없지만, 급격한 금속-절연체 상전이형 소자(200)가 금속상태(도면에서 M으로 표시)로 있는 경우에는 저항요소(300)의 저항값(R)이 커짐에 따라 급격한 금속-절연체 상전이형 소자(200)를 흐르는 전류가 완만하게 증가하는 경향을 나타낸다. 이 결과를 도 1의 경우, 즉 저항요소(300)가 존재하지 않는 경우와 비교해보면, 급격한 금속-절연체 상전이에 의해 생성된 대량의 전류에 의해서도 소자가 파되되는 현상이 방지될 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로의 전압-전류밀도 특성을 나타내 보인 그래프이다. 도 5에서 가로축은 제1 전극(230) 및 제2 전극(240) 사이에 인가되는 전압(V)이며, 세로축은 제1 전극(230) 및 제2 전극(240) 사이를 흐르는 전류밀도(J)이다.
도 5의 테스트에 사용된 급격한 금속-절연체 상전이형 소자(200)는, 실리콘(Si)기판(210) 및 바나듐디옥사이드(VO2) 절연체(220)를 갖는 소자로서, 제1 전극(230) 및 제2 전극(240) 사이의 채널길이는 5㎛이고 채널폭은 25㎛인 경우이다. 도 5에서 참조부호 “■”로 표시한 선은 저항요소(300)의 저항값(R)이 110인 경우이고, 참조부호 “●”로 표시한 선은 저항요소(300)의 저항값(R)이 340인 경우이고, 참조부호 “▲”로 표시한 선은 저항요소(300)의 저항값(R)이 1.0㏀인 경우이고, 참조부호 “▼”로 표시한 선은 저항요소(300)의 저항값(R)이 5.0㏀인 경우이고, 그리고 참조부호 “◆”로 표시한 선은 저항요소(300)의 저항값(R)이 10㏀인 경우를 각각 나타낸다. 도 5에서 알 수 있듯이, 저항요소(300)의 저항값(R)이 커짐에 따라 급격한 금속-절연체 상전이형 소자(200)를 흐르는 전류가 완만하게 증가하는 경향을 나타낸다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로에 의하면, 급격한 금속-절연체 상전이 현상으로 인하여 대량의 전류가 발생하더라도 급격한 금속-절연체 상전이형 소자에 직렬로 연결된 저항요소에 의해 전류의 증가가 억제되므로, 급격한 금속-절연체 상전이형 소자에 파탄을 방지할 수 있으며, 다양한 응용분야에 이 회로를 적용할 수 있다는 효과가 제공된다.

Claims (8)

  1. 인가 전계에 따라 급격한 금속-절연체 상전이 특성을 갖는 전자소자; 및
    상기 전자소자에 직렬 연결된 저항요소를 포함하고,
    상기 저항요소는 상기 전자소자의 급격한 금속-절연체 상전이에 의해 발생하는 대전류를 감소시켜 상기 전자소자의 파탄을 방지하는 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저항요소는 상기 급격한 금속-절연체 상전이형 소자와 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저항요소는 저항기인 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 저항기는 가변저항기인 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 저항요소는 저항기로 사용될 수 있는 평면형 소자패턴인 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 저항요소는 저항기로 사용될 수 있는 교류저항기인 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 급격한 금속-절연체 상전이형 소자는, 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 급격한 금속-절연체 상전이 특성을 갖는 절연체막이 배치되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 절연체는 바나듐옥사이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로.
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