반도체 공학

저자의 30여년 강의 노하우가 담긴 최고의 반도체 공학 기본서



반도체 공학은 전자소자 및 전자시스템을 연구 개발하는데 반드시 이해하고 알아야 할 기본 학문이다. 이 책은 전자 혹은 전기공학을 전공하는 학생들이 한 학기 정도에 공부하기 적합한 분량으로 압축하여 탄탄하게 구성하여, 반도체물성과 이를 기반으로 한 다이오드 및 바이폴라와 MOS 트랜지스터에 관한 내용을 이해한 후 그 응용분야인 반도체 메모리, 태양광 및 촬상소자, 레이저 그리고 전력전자소자들을 이해할 수 있도록 기술하였다.



이 책의 구성과 내용



1. 효과적인 이해를 돕는 구성



이 책은 명확한 설명과 효과적인 이해를 도와주는 그림과 표를 활용하여 구성되어 있어 전자 혹은 전기공학을 전공하는 학생들 누구나 쉽게 공부할 수 있도록 구성되어 있다.



2. 쉽고 재미있게 공부할 수 있도록 구성



또한 반도체기술 강국 중 한 나라로 발돋움한 우리나라의 젊은이들에게 반도체 기술발전의 역사성을 조금이라도 알게 하기 위하여 각 부분마다 해당 기술의 선구자적 역할을 감당하였던 최초 발명가나 주요 인물들을 간략히 소개하고 있어 쉽고 재미있게 공부할 수 있도록 하였다.



3. 스스로 이해하고 점검할 수 있는 연습문제와 예제



각 장의 말미에는 그 장의 내용을 정리하기 위하여 내용 이해 위주로 연습문제를 충실하게 구성하였다. 따라서 주어진 연습문제들을 풀어나가면 본 교제에서 제시된 반도체공학 전반에 대한 기초지식을 충분히 정리하고 습득할 수 있으리라 생각된다. 또한, 중요한 식을 이해하고 응용하는데 도움이 되도록 하는 계산 위주의 문제들은 예제를 통하여 주어졌다.



4. 다양한 부록과 참고문헌



또한 부록을 통해 공부하면서 꼭 필요한 부분들을 언제나 쉽게 참고할 수 있도록 하였다. 학생들에게 도움이 되도록 참고가 가능한 논문과 책들을 표시하여, 혼자 공부하거나 추가적으로 관련 지식을 함양하는 데 도움이 되고자 하였다.

CHAPTER 01 결정구조와 반도체물성

1.1 결정구조

1.1.1 원자 배열 상태 의존성

1.1.2 격자 구조의존성

1.2 결정면과 방향

1.3 원자모델과 에너지밴드

1.3.1 원자의 전자 구조

1.3.2 에너지밴드

1.4 반도체의 반송자(Carrier)

1.4.1 전자와 정공

1.4.2 전자와 정공농도

1.4.3 페르미준위

ㆍ연습문제



CHAPTER 02 반송자 이동과 재결합 현상

2.1 유효질량

2.2 표동운동(Drift motion)

2.3 확산(Diffusion)

2.4 아인슈타인 관계식(The Einstein Relation)

2.5 재결합(Recombination) 및 반송자 수명

2.5.1 열생성과 재결합

2.5.2 직접재결합(Direct recombination)과 간접재결합(Indirect recombination)

2.5.3 반송자 수명

2.5.4 홀효과(Hall Effect)

ㆍ연습문제



CHAPTER 03 pn접합과 반도체-금속접촉

3.1 열평형상태에서의 pn접합

3.1.1 공간전하영역(Space charge region)

3.1.2 내부전위(Built-in voltage)

3.1.3 공핍층의 전계 및 전위(The electric field and potential of depletion layer)

3.1.4 공핍층폭(Depletion-layer width)

3.2 바이어스된 다이오드특성

3.2.1 정상상태 다이오드(Diode in steady state conditions)

3.3 금속-반도체 접합

3.3.1 쇼트키 다이오드(Schottky diode)

3.3.2 저항성 접촉(Ohmic contacts)

3.3.3 pn접합항복(pn junction breakdown)

ㆍ연습문제



CHAPTER 04 반도체공정

4.1 열확산(Thermal diffusion)

4.1.1 확산방정식

4.1.2 불순물 재료 및 확산시스템

4.2 산화(Oxidation)

4.2.1 열산화(Thermal oxidation)

4.2.2 화학기상증착(CVD: Chemical vapor deposition)

4.3 이온주입(Ion implantation)

4.3.1 이온주입장치

4.3.2 이온분포

4.4 노광(Lithography)

4.4.1 노출방법

4.4.2 광원

4.4.3 비광노광기술(Non-optical lithography)

4.5 식각(Etching)

4.5.1 습식식각(Wet etching)

4.5.2 건식식각(Dry etching)

4.6 박막증착(Thin film deposition)

4.6.1 화학기상증착(CVD: Chemical vapor deposition)

4.6.2 물리기상증착(PVD: Physical vapor deposition)

4.6.3 원자층 화학기상증착(ALCVD: Atomic layer chemical vapor deposition)

4.7 패키징(Packaging)

4.7.1 패키지 종류

4.7.2 접속(Bonding)

ㆍ연습문제



CHAPTER 05 바이폴라 접합트랜지스터

5.1 BJT 구조

5.2 BJT 동작

5.3 전류흐름과 증폭

5.3.1 이상적 BJT

5.3.2 순방향 활성모드의 전류성분(The currentcomponents with forward-active biasing)

5.3.3 BJT 증폭

5.4 소수반송자 분포와 단자전류

5.4.1 베이스영역 소수반송자 분포(Minority carrier distributions in the base region)

5.4.2 단자전류(Terminal currents)

5.5 BJT 모델(Bipolar junction transistor models)

5.5.1 Ebers-Moll 모델

5.5.2 hybrid-π모델과 차단주파수(Cutoff frequency)

5.6 실질적 트랜지스터(Real transistor)

5.6.1 컬렉터전압에 의한 베이스폭 변조(Base width modulation by collector voltage)

5.6.2 공핍층의 사태항복(Avalanche breakdown of depletion layer)

5.6.3 주입전류량(Injection current level)

5.6.4 이미터전류 밀집(Emitter current crowding)

5.6.4 베이스 도핑농도(Base doping concentration)

5.7 스위칭(Switching)

ㆍ연습문제



CHAPTER 06 MOSFET

6.1 MOS 커패시터

6.1.1 이상적 MOS 커패시터(The ideal MOS capacitor)

6.1.2 실질적 MOS 커패시터

6.1.3 문턱전압 조절(Control of threshold voltage)

6.2 MOSFET 특성(MOSFET characteristics)

6.2.1 MOSFET 종류

6.2.2 출력특성(Output characteristics)

6.2.3 전달특성(Transfer characteristics)

6.3 추가적 고려 요소들

6.3.1 단채널(Short channel) MOSFET I-V 특성

6.3.2 고온전자 효과(Hot electron effects)

6.3.3 기판바이어스 효과(Substrate bias effect)

6.3.4 드레인유도 장벽저하(Drain-induced barrier lowering)

6.3.5 문턱전압이하 전류(Subthreshold current)

6.3.6 MOSFET 스케일링

6.3.7 터널링 누설(Tunneling leakage)

ㆍ연습문제



CHAPTER 07 MOSFET 응용소자

7.1 메모리소자

7.1.1 DRAM(Dynamic random access memory)

7.1.2 SRAM(Static random access memory)

7.1.3 플래시메모리(Flash-Memory)

7.1.4 상변화메모리(PCM : Phase change memory)

7.2 MOS구조 촬상소자(Imager)

7.2.1 CCD(Charge coupled devices)

7.2.2 CMOS 촬상소자

7.3 CMOS inverter

7.3.1 CMOS 구성

7.3.2 전압전달특성(Voltage transfer characteristics)

7.3.3 CMOS 인버터의 소모전력

ㆍ연습문제



CHAPTER 08 광전자소자

8.1 광다이오드(PD: photo diode)

8.2 발광다이오드(LED: light emitting diode)

8.2.1 LED 재료

8.2.2 조명과 백색 LED(Lighting and white LED)

8.3 태양전지(Solar cell)

8.3.1 태양전지의 기본원리

8.3.2 태양전지의 구조

8.4 레이저 다이오드(Laser diode)

8.4.1 빛의 증폭(Light amplification)

8.4.2 레이저다이오드 구조

ㆍ연습문제



CHAPTER 09 전력용 반도체소자

9.1 pnpn 사이리스터

9.1.1 순방향차단 상태

9.1.2 순방향 도통상태

9.1.3 역방향 차단상태

9.2 트리거링(Triggering)

9.2.1 pnpn 사이리스터 양단 트리거링(직류 및 dv/dt 트리거링)

9.2.2 게이트 전극을 갖는 SCR 트리거링

9.2.3 트라이액(Triac: Triode AC switch or bilateral diode switch)

9.3 절연게이트 양극성 트랜지스터(Insulated-gate bipolar transistor)

ㆍ연습문제



CHAPTER 10 마이크로웨이브 반도체소자

10.1 Varactor(Variable reactor)

10.2 Tunnel diode

10.3 IMPAT(Impact avalanche transit-time) 다이오드

10.4 Gunn 다이오드

10.4.1 이동전자 메커니즘(Transferred electron mechanism)

10.4.2 공간전하 도메인의 형성과 표동

ㆍ연습문제



CHAPTER 11 집적회로 제작 연속 공정

11.1 바이폴라 트랜지스터와 다이오드

11.2 nMOS 트랜지스터 공정

11.3 CMOS 트랜지스터 공정

11.4 수동 소자

11.4.1 저항

11.4.2 커패시터

ㆍ연습문제



연습문제 정답

황호정 저자 황호정은

한양대학교 전자공학과 공학사

독일 칼스루헤공대 공학석사

독일 뮌헨공대 공학박사

독일 프라운호프연구소 연구원

중앙대학교 조교수, 부교수, 교수

현 중앙대학교 CAU-Fellow/ 명예교수