계산전자공학 입문
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계산전자공학 분야에서 사용되는 가장 중요한 원리들을 소개하다
계산전자공학이란 전자공학의 한 분야로서, 전자공학에서 다루는 다양한 문제들을 컴퓨터 수치해석 기법을 통하여 해결하고자 한다. 오늘날 전자공학에서 다루는 문제들이 계속 복잡해짐에 따라, 계산전자공학 분야에서 제공하는 컴퓨터 프로그램들은 전자공학 연구 개발에 있어서 필수적인 도구가 되었다.
특별히 전자공학에서 원하는 기능을 구현하는 회로가 반도체 소자를 가지고 구성되기 때문에, 많은 경우 계산전자공학이란 반도체 소자의 여러 가지 특성-그중에서도 전기적인 특성-을 설명하고 예측하는 부분에 집중되어왔다. 그러나 반도체 소자의 물리적인 소형화가 한계에 다다르며 다양한 대안들이 모색되고 있는 요즘에 있어서는, 계산전자공학에서 다루는 문제의 범위가 더욱 넓어지고 다양해지고 있다. 또한 전자공학뿐만 아니라, 재료공학이나 기계공학적인 관점에서도 접근해야 할 필요성이 늘어나고 있다.
이렇게 계산전자공학 분야에 필요한 지식은 늘어나고 있으나, 관련 연구 도서들은 연구 수준의 학술 도서에 국한되어서 출판되고 있는 것이 현실이다. 갓 연구를 시작하는 대학원생들을 위한 입문서를 찾아보기 어려우며, 이는 국내에만 국한되는 문제는 아닐 것이다.
이 책에서는 계산전자공학 분야에서 사용되는 가장 중요한 원리들을 소개하여 실제 연구에 활용할 수 있는 기본 인식틀을 형성하는 데 도움을 주고자 한다. 또한 계산전자공학 분야의 특성상 실제 수치해석 프로그램을 작성하는 것이 필수적이므로, 이에 대한 적절한 수준의 실습 예제들을 제시하여 피상적인 이해를 뛰어넘을 수 있도록 하였다. 부록에는 MATLAB으로 구현한 실습 코드들을 수록하여, 독자들이 자신의 결과를 검증할 수 있도록 하였다. 그러나 실습 코드를 참조하기 전에 독자 각자의 사고를 통해 스스로 코드를 구현해보는 것을 권장한다.
계산전자공학이란 전자공학의 한 분야로서, 전자공학에서 다루는 다양한 문제들을 컴퓨터 수치해석 기법을 통하여 해결하고자 한다. 오늘날 전자공학에서 다루는 문제들이 계속 복잡해짐에 따라, 계산전자공학 분야에서 제공하는 컴퓨터 프로그램들은 전자공학 연구 개발에 있어서 필수적인 도구가 되었다.
특별히 전자공학에서 원하는 기능을 구현하는 회로가 반도체 소자를 가지고 구성되기 때문에, 많은 경우 계산전자공학이란 반도체 소자의 여러 가지 특성-그중에서도 전기적인 특성-을 설명하고 예측하는 부분에 집중되어왔다. 그러나 반도체 소자의 물리적인 소형화가 한계에 다다르며 다양한 대안들이 모색되고 있는 요즘에 있어서는, 계산전자공학에서 다루는 문제의 범위가 더욱 넓어지고 다양해지고 있다. 또한 전자공학뿐만 아니라, 재료공학이나 기계공학적인 관점에서도 접근해야 할 필요성이 늘어나고 있다.
이렇게 계산전자공학 분야에 필요한 지식은 늘어나고 있으나, 관련 연구 도서들은 연구 수준의 학술 도서에 국한되어서 출판되고 있는 것이 현실이다. 갓 연구를 시작하는 대학원생들을 위한 입문서를 찾아보기 어려우며, 이는 국내에만 국한되는 문제는 아닐 것이다.
이 책에서는 계산전자공학 분야에서 사용되는 가장 중요한 원리들을 소개하여 실제 연구에 활용할 수 있는 기본 인식틀을 형성하는 데 도움을 주고자 한다. 또한 계산전자공학 분야의 특성상 실제 수치해석 프로그램을 작성하는 것이 필수적이므로, 이에 대한 적절한 수준의 실습 예제들을 제시하여 피상적인 이해를 뛰어넘을 수 있도록 하였다. 부록에는 MATLAB으로 구현한 실습 코드들을 수록하여, 독자들이 자신의 결과를 검증할 수 있도록 하였다. 그러나 실습 코드를 참조하기 전에 독자 각자의 사고를 통해 스스로 코드를 구현해보는 것을 권장한다.
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출판사 리뷰
출판사 리뷰
이 책은 계산전자공학 분야에 관심이 있는 대학원생 또는 연구자를 대상으로 하였다.
전자공학과에서 배우는 회로이론, 전자회로 등의 과목은 수강하였다고 가정하였으나 양자역학, 통계역학, 고체물리와 같은 물리학 관련 과목에 대한 사전 지식이 없이도 책의 내용을 따라갈 수 있도록 서술하였다.
모쪼록 이 책이 계산전자공학이라는 매력적인 분야에 유용한 입문서로 쓰여서, 관련 분야연구를 시작하는 연구자들에게 길잡이가 되기를 바란다.
전자공학과에서 배우는 회로이론, 전자회로 등의 과목은 수강하였다고 가정하였으나 양자역학, 통계역학, 고체물리와 같은 물리학 관련 과목에 대한 사전 지식이 없이도 책의 내용을 따라갈 수 있도록 서술하였다.
모쪼록 이 책이 계산전자공학이라는 매력적인 분야에 유용한 입문서로 쓰여서, 관련 분야연구를 시작하는 연구자들에게 길잡이가 되기를 바란다.
목차
목차
CHAPTER 01 서 론
1.1 계산전자공학에 대하여
1.2 계산전자공학의 간략한 역사
1.3 계산전자공학의 향후 발전 방향 전망
CHAPTER 02 수치해석 기법 연습
2.1 들어가며
2.2 무한 우물 문제
2.3 1차원 Laplacian
2.4 고유값 문제
2.5 Laplace 방정식
2.6 전하가 없는 경우의 Poisson 방정식
2.7 고정 전하가 있는 경우의 Poisson 방정식
2.8 Electrostatic potential에 대한 규약
2.9 Non－self－consistent Poisson 방정식
2.10 Newton 방법
2.11 Nonlinear Poisson 방정식
CHAPTER 03 서브밴드 구조 계산
3.1 들어가며
3.2 얇은 상자 속의 전자
3.3 서브밴드 개념
3.4 비등방적인 유효 질량
3.5 전자 농도의 계산
3.6 슈뢰딩거－포아송 방정식
3.7 Self-consistent 슈뢰딩거－포아송 방정식
CHAPTER 04 이동도 계산
4.1 들어가며
4.2 이동도의 정의
4.3 파수 공간에서의 Boltzmann 방정식
4.4 Kubo-Greenwood 식의 유도
4.5 다양한 scattering들
4.6 이완 시간의 계산
4.7 3차원 전자 기체를 이용한 이동도 계산 검증
4.8 2차원 전자 기체의 이동도 계산
CHAPTER 05 준고전적 수송 이론
5.1 들어가며
5.2 준고전적 수송의 지배 방정식
5.3 에너지 공간으로의 변환
5.4 Fourier harmonics를 사용한 전개
5.5 전체 에너지 공간으로의 변환
5.6 Scattering의 전개
5.7 간단한 모델 시스템에 대한 구현 실습
CHAPTER 06 준고전적 수송 이론의 근사적인 해
6.1 들어가며
6.2 연속 방정식의 유도
6.3 전류밀도 방정식의 유도
6.4 Drift-Diffusion 모델
6.5 Scharfetter-Gummel 방법
CHAPTER 07 양자 전송
7.1 들어가며
7.2 양자역학 기초 지식의 복습
7.3 양자 전송 기초
7.4 NEGF 이론 설명
7.5 셀프 에너지
7.6 효율적인 구현을 위한 방법들
7.7 NEGF 예제
7.8 실습
CHAPTER 08 마무리
8.1 요약
8.2 다루지 못한 주제들
1.1 계산전자공학에 대하여
1.2 계산전자공학의 간략한 역사
1.3 계산전자공학의 향후 발전 방향 전망
CHAPTER 02 수치해석 기법 연습
2.1 들어가며
2.2 무한 우물 문제
2.3 1차원 Laplacian
2.4 고유값 문제
2.5 Laplace 방정식
2.6 전하가 없는 경우의 Poisson 방정식
2.7 고정 전하가 있는 경우의 Poisson 방정식
2.8 Electrostatic potential에 대한 규약
2.9 Non－self－consistent Poisson 방정식
2.10 Newton 방법
2.11 Nonlinear Poisson 방정식
CHAPTER 03 서브밴드 구조 계산
3.1 들어가며
3.2 얇은 상자 속의 전자
3.3 서브밴드 개념
3.4 비등방적인 유효 질량
3.5 전자 농도의 계산
3.6 슈뢰딩거－포아송 방정식
3.7 Self-consistent 슈뢰딩거－포아송 방정식
CHAPTER 04 이동도 계산
4.1 들어가며
4.2 이동도의 정의
4.3 파수 공간에서의 Boltzmann 방정식
4.4 Kubo-Greenwood 식의 유도
4.5 다양한 scattering들
4.6 이완 시간의 계산
4.7 3차원 전자 기체를 이용한 이동도 계산 검증
4.8 2차원 전자 기체의 이동도 계산
CHAPTER 05 준고전적 수송 이론
5.1 들어가며
5.2 준고전적 수송의 지배 방정식
5.3 에너지 공간으로의 변환
5.4 Fourier harmonics를 사용한 전개
5.5 전체 에너지 공간으로의 변환
5.6 Scattering의 전개
5.7 간단한 모델 시스템에 대한 구현 실습
CHAPTER 06 준고전적 수송 이론의 근사적인 해
6.1 들어가며
6.2 연속 방정식의 유도
6.3 전류밀도 방정식의 유도
6.4 Drift-Diffusion 모델
6.5 Scharfetter-Gummel 방법
CHAPTER 07 양자 전송
7.1 들어가며
7.2 양자역학 기초 지식의 복습
7.3 양자 전송 기초
7.4 NEGF 이론 설명
7.5 셀프 에너지
7.6 효율적인 구현을 위한 방법들
7.7 NEGF 예제
7.8 실습
CHAPTER 08 마무리
8.1 요약
8.2 다루지 못한 주제들
저자
저자
홍성민
홍성민은 2001년과 2007년에 서울대학교에서 학사 학위와 박사 학위를 받았습니다. 독일 뮌헨 연방군 대학교에서 박사후 연구원으로 일한 이후에, 2011년부터 2013년까지 미국 캘리포니아주 산호세에 있는 삼성 연구소에서 일했습니다. 2013년에 광주과학기술원에 부임하여 현재 부교수로 재직중입니다. 연구 주제는 반도체 소자 시뮬레이션이며, IEEE Transactions on Electron Devices의 Associate Editor로 활동하고 있습니다.
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