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물리전자 및 반도체공학Ⅰ
서순주 교수
MS.University of Wisconsin-Madison/Materials Science
Ph.D in University of Wisconsin-Madison/Materials Science
MS.University of Wisconsin-Madison/Materials Science
Ph.D in University of Wisconsin-Madison/Materials Science
Wisconsin-Madison
충북대학교
현) 유니와이즈 전임교수
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| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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| 1장. Crystal Structure (결정 구조) | ||
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[1강] 반도체 물질. 결정 격자. 7가지 시스템과 14가지 격자
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반도체 물질 및 결정 격자 구조의 이해
• 반도체 물질: 온도·불순물에 따른 전기 전도도 특성과 실리콘·화합물 반도체의 종류 및 전자 소자 응용 분야 학습 • 결정 구조 기초: 결정질 고체, 격자, 단위 셀, 기본 벡터 개념 이해 및 7가지 결정 시스템과 브라베 격자 개요 파악 • 입방 격자 분석: 단순 입방(SC), 체심 입방(BCC), 면심 입방(FCC) 구조별 유효 원자 수, 격자 상수, 원자 반지름, 충전율 계산 원리 숙지 |
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[2강] 격자 평면과 방향. 반도체 구조
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물리전자 및 반도체 공학 2강: 격자 평면 및 방향, 반도체 구조
• 밀러 지수: 결정 격자 내 면과 방향을 표시하며, 등가 면/방향 개념으로 결정 대칭성을 정의. • 반도체 격자 구조: 다이아몬드, 섬아연광, 섬유아연석 구조는 단일 및 화합물 반도체의 원자 배열 특징을 규정. • 격자 밀도: 결정 구조 정보를 활용하여 단위 체적 및 면적당 원자수를 계산하는 재료 물성 분석. |
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| 2장. Atomic Structure (원자 구조) | ||
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[3강] 물리학적 모형의 소개. 보어의 모형
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물리학적 모형 및 보어 모델의 이해
* 보어 모델: 원자의 양자화된 에너지 준위와 전이 현상을 설명하기 위해 안정 궤도 및 각운동량 양자화를 가정한 핵심 원자 모형. * 광전 효과: 빛 에너지의 양자화 개념과 플랑크 상수를 기반으로 전자의 에너지 준위 변화 및 물질 탈출 메커니즘을 설명. * 수소 원자 모형: 보어 모델 가정을 적용하여 전자의 궤도 반지름, 속도, 총 에너지를 양자수($n$)에 따라 수식으로 유도 및 분석. |
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[4강] 파동과 입자의 이중성 (1)
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파동과 입자의 이중성 (1): 파동 함수의 표현
• 파동과 입자의 이중성: 양자역학의 핵심 원리로, 물질이 파동 및 입자 성질을 동시에 가짐을 이해 • 파동 함수 유도: 광파의 2차 미분 방정식, 삼각 함수, 오일러 공식을 통한 지수 함수 형태 표현 절차 학습 • 전자 파동 함수: 광파와 유사한 지수 함수 형태로, 전자의 파동성 개념 및 간소화된 표현 분석 |
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[5강] 파동과 입자의 이중성 (2)
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Schrödinger 파동 방정식 및 물질파 관계식 유도
• 슈뢰딩거 파동 방정식: 평면파 및 라플라시안 연산자를 활용한 빛의 2차 미분 파동 방정식 유도 원리 학습. • 광자 에너지-운동량 관계식: 플랑크-아인슈타인 관계 $E=\hbar\omega$와 운동량 관계 $p=\hbar k$의 유도 과정 분석. • 플랑크-아인슈타인-드 브로글리 관계: 광자 및 모든 물질 입자에 적용되는 파동-입자 이중성 통합 개념 정리. |
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[6강] 파동과 입자의 이중성 (3)
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파동과 입자의 이중성: 슈뢰딩거 방정식 유도
• 슈뢰딩거 방정식: 미시 입자의 양자 상태 및 총 에너지를 파동함수를 통해 기술하는 양자역학의 핵심 방정식. • 양자역학적 연산자: 고전역학적 에너지 표현의 한계를 극복하고자 운동량 및 에너지 연산자를 파동함수 미분으로 유도. • 시간 종속 슈뢰딩거 방정식: 유도된 운동량과 에너지 연산자를 고전역학 에너지 식에 대입하여 해밀토니안을 포함하는 양자역학 기본 식 완성. |
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[7강] 파동과 입자의 이중성 (4)
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양자역학적 가설 및 쉬뢰딩거 방정식 해석
• 양자역학적 가설: 쉬뢰딩거 방정식의 논리적 기반을 제공하며, 미시 입자의 상태를 파동 함수로 기술하여 물리적 타당성 확립 • 파동 함수: 입자 상태를 나타내는 연속적·유한한 함수로, 연산자를 통해 불연속적인 에너지 고유값을 도출하는 고유값 방정식 활용 • 확률 밀도: 파동 함수의 절댓값 제곱으로 입자 발견 확률을 정의하며, 전 공간에 대한 정규화 조건 및 확률 보존 법칙을 따름 |
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[8강] 파동과 입자의 이중성 (5)
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파동함수와 허미션 연산자
• 양자역학 기댓값: 파동함수를 이용한 물리량의 평균값 정의 및 $\langle Q \rangle = \int \Psi^* Q \Psi \,d\tau$로의 수학적 표현. • 허미션 연산자: 관측 가능한 물리량의 실수 기댓값을 주는 연산자 조건 $\int \Psi^* Q \Psi \,d\tau = \int (Q\Psi)^* \Psi \,d\tau$ 충족. • 해밀토니안: 확률 보존 법칙 및 슈뢰딩거 방정식을 통해 허미션 연산자임을 증명하고, 정상 상태에서 기댓값이 고유 에너지값 E와 같음. |
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[9강] 파동과 입자의 이중성 (6)
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관측 가능한 물리량의 곱과 불확정성의 원리
• **관측 가능한 물리량의 곱**: 허미션 연산자 곱이 비허미션일 수 있음을 통해 관측 불가능성 및 불확정성 원리 개념을 도입. • **위치-운동량 교환자**: $[x, p] = i\hbar$ 증명으로 두 물리량의 동시적 정밀 측정 불가능성 및 동시적 고유 함수 비존재를 설명. • **하이젠베르크 불확정성 원리**: $(\Delta x)(\Delta p) \ge \hbar/2$ 수식으로 양자 세계의 본질적 측정 한계를 규정하고, 고전 세계와의 차이점을 제시. |
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[10강] 파동과 입자의 이중성 (7)
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무한 사각 전위 우물 문제의 슈뢰딩거 방정식 해
• 무한 사각 전위 우물: 자유 입자의 슈뢰딩거 방정식 해법으로 파동 함수($\Psi_n$) 및 양자화된 에너지($E_n$) 분석. • 경계 조건 및 정규화 조건: 파동 함수의 진폭($A$)과 파동 벡터($k$)를 결정하고 에너지($E_n$)를 양자화. • 양자화된 에너지 ($E_n$): 양자수($n$)에 따른 불연속적 에너지 준위를 가지며, 파동 함수($\Psi_n$)는 확률 밀도 함수($\Psi_n^2$)로 입자 존재 확률 제시. |
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[11강] 원자 구조
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원자 구조 및 양자수
• 슈뢰딩거 방정식 및 쿨롬 전위차: 전자의 에너지 준위를 파동 함수로 표현하며, 주양자수, 방위 양자수, 자기 양자수, 스핀 양자수가 전자의 상태를 정의. • 4가지 양자수 (n, l, m, s): 전자의 궤도 크기, 모양, 방향, 고유 스핀을 결정하는 상호 제한적 특성을 지님. • 파울리의 배타 원리: 두 전자의 동일 양자수 집합을 금지하여 원자의 전자 구조와 오비탈 채움 규칙을 결정. |
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| 3장. Energy Bands and Charge Carriers in Semiconductors (에너지 대역과 반도체에서의 전하 캐리어) | ||
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[12강] 반도체 모형. 반도체의 전하 캐리어
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반도체 모형, 반도체의 전하 캐리어
• 반도체 모형: 평형 상태 가정을 바탕으로 양자화, 공유 결합 모델 및 전도/가전자 대역, 에너지 밴드 갭을 통한 반도체 구조 분석. • 전자와 정공: 에너지 밴드 갭($E_g$)을 넘어선 전자의 전도 대역 전이로 생성되는 전하 캐리어의 역할 및 전류 발생 메커니즘 이해. • 물질 구분: 에너지 밴드 갭($E_g$) 크기를 기준으로 절연체, 반도체, 금속의 전기적 특성 및 분류 기준을 명확화. |
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[13강] 캐리어 성질
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물리전자 및 반도체 공학: 캐리어 성질 및 도핑
* 유효 질량 및 진성 반도체: 반도체 내 캐리어 거동의 유효 질량 개념과 진성 반도체의 캐리어 농도 특성 파악 * 도핑 원리: 반도체 전도도 제어를 위한 도핑 기술의 목적 및 도너/억셉터 불순물의 캐리어 농도 조절 방식 이해 * 에너지 준위 및 온도 의존성: 도너/억셉터 불순물의 결합 에너지, 에너지 준위 형성, 온도에 따른 캐리어 점유 변화 분석 |
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[14강] 평형상태에서의 페르미 준위
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**평형 상태에서의 페르미 준위**
* 에너지 상태 밀도(N(E)): 반도체 내 특정 에너지에 존재하는 전자의 양자 상태 수를 정의하며 캐리어 분포의 기본 토대 제공. * 페르미 함수(f(E)): 평형 상태에서 전자가 에너지 상태를 점유할 확률을 나타내며, 온도에 따른 확률 변화를 분석. * 페르미 준위(E_F): 전하 캐리어(전자, 정공)의 분포와 농도를 결정하며, 반도체의 전도형(N형, P형, 진성) 특성 정의. |
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[15강] 평형에서의 캐리어 농도 (1)
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평형에서의 캐리어 농도 (1)
* **평형 캐리어 농도**: 반도체 내 전자 및 정공 농도는 전도/가전자 대역의 유효 상태 밀도와 페르미 함수 적분으로 정의. * **유효 상태 밀도 및 페르미 에너지**: $N_c, N_v$로 전자·정공 농도를 간략화하며, 페르미 에너지 $E_F$ 위치로 비축퇴/축퇴 반도체 상태 결정. * **진성 캐리어 농도**: $n_i$는 진성 반도체 내 전자·정공 농도로, $np=n_i^2$ 관계식은 반도체 물성 분석의 기본 원리. |
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[16강] 평형에서의 캐리어 농도 (2)
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평형에서의 캐리어 농도 (2)
• 평형 반도체 전하 중성: 알짜 전하 0을 유지하는 전자, 정공, 이온화된 도펀트 간 전하 균형 원리. • 캐리어 농도 계산: 평형/비축퇴/완전 이온화 전제 하에 전하 중성 관계를 통한 전자·정공 농도 산출 및 진성/도핑 반도체 특수 상황 적용. • 캐리어 온도 의존성: 저온 동결, 외인성, 고온 진성 영역에서 불순물 이온화 및 고유 캐리어 농도 `n_i` 변화에 따른 캐리어 농도 특성 분류. |
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[17강] 평형에서의 캐리어 농도 (3)
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평형에서의 캐리어 농도: 페르미 준위 위치 결정
• 페르미 준위($E_F$): 캐리어 농도 및 반도체 유형 구분을 위한 핵심 파라미터로, 도핑 농도와 온도에 따라 위치 결정 • 진성 페르미 준위($E_i$): 밴드갭 중간 위치에서 유효 질량 비율과 온도에 의해 미세 조정 • 도핑 반도체 페르미 준위($E_F$): 도너/억셉터 농도 변화에 따라 $E_c$ 또는 $E_v$ 밴드 방향으로 이동하며 캐리어 농도 결정 |
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| 4장. Carrier Action (캐리어 작용) | ||
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[18강] 표동
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반도체 표동 현상 및 관련 특성
• 반도체 표동: 전기장 하 대전 입자 움직임으로 표동 전류 발생 및 전류 밀도 정의. • 이동도: 캐리어 운동 자유도 지표로, 산란·도핑 농도·온도 등 요인에 의해 변화함. • 저항률: 물질 고유 전기적 특성이며 캐리어 농도 및 이동도에 역비례, 소자 저항을 결정함. |
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[19강] 확산
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확산 및 아인슈타인 관계식
• 확산 개념: 캐리어 농도 경사에 따른 이동 현상 정의 및 픽스의 법칙 기반 확산 전류 밀도 공식화 • 총 전류 밀도: 표동 전류와 확산 전류의 합산 구조를 통한 반도체 소자 동작 기본 원리 분석 • 아인슈타인 관계식: 평형 상태에서 페르미 레벨 일정성을 전제로 확산 상수와 이동도 간의 본질적 관계($\frac{D}{\mu} = \frac{kT}{q}$) 정립 |
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[20강] 재결합: 생성
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재결합-생성: 캐리어 거동과 반도체 유형
• 재결합-생성 과정: 반도체 평형 교란 시 캐리어 농도 안정화를 위한 전자-정공 소멸 및 생성 메커니즘 • 재결합 및 생성 메커니즘: 밴드 간(직접), R-G 센터(간접), 오제/충돌 이온화 방식으로 빛·열에너지 흡수/방출 • 반도체 유형 분류: 직접/간접 반도체는 $E-k$ 관계 및 에너지-운동량 보존 여부로 구분, 재결합-생성 메커니즘에 영향 |
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[21강] 광학적 흡수. 발광
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광학적 흡수 및 발광의 원리와 응용
• 광학적 흡수 원리: 반도체의 에너지 밴드 갭($E_g$)과 입사 광자 에너지($h\nu$) 관계에 따른 빛 흡수·투과 메커니즘 이해 및 흡수 계수($\alpha$) 분석. • 발광 현상 분류: 전자-정공 재결합에 의한 빛 방출 과정으로, 빠른 형광, 결점 준위 트랩의 지연 인광, 전기 에너지를 활용하는 전계 발광 메커니즘 학습. • 반도체 광특성 응용: 광학적 흡수 및 발광 메커니즘을 기반으로 에너지 밴드 갭($E_g$) 측정, 광소자(LED) 동작 원리 등 실용적 응용 분석. |
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[22강] 상태 방정식
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반도체 상태 방정식 및 캐리어 확산
• 반도체 상태 방정식: 캐리어 동역학(드리프트, 확산, 재결합, 생성) 통합 및 농도 변화 표현. • 연속 방정식: 캐리어 농도 시간/공간 연속성, 보존 원리 정의 및 전류 밀도 기반 간략화. • 소수 캐리어 확산 방정식: 7가지 전제 조건 하에 소수 캐리어 동작 유도 및 설명. |
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| 5장. p-n Junction Electrostatics (p-n 접합 정전기학) | ||
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[23강] p-n 접합 형성 (1)
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물리전자 및 반도체 공학: p-n 접합 형성의 기초
• p-n 접합: N-type 웨이퍼에 P-type 도펀트 확산으로 형성되며, 금속학적 접합부는 알짜 도핑 농도에 의해 결정. • 쁘아송 방정식: 전하 밀도와 비유전율 기반으로 전기장, 전위차 등 정전기적 변수 정량 분석 및 이상적 도핑 프로파일 모델링. • 평형 p-n 접합 정전기적 특성: 일정 페르미 레벨, 내부 전위차, 전기장 및 전하 밀도 분포로 반도체 소자 작동 원리 분석. |
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[24강] p-n 접합 형성 (2)
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p-n 접합 형성 원리와 내부 전위차
• p-n 접합 형성: 다수 캐리어 확산 및 이온화된 불순물 원자 고정으로 공간 전하 영역(공핍 영역)을 형성하여 전기장 발생. • 내부 전위차 ($V_{bi}$): p-n 접합 평형 상태에서 발생하는 전위차로, 알짜 전류가 0이며 볼트미터로 측정 불가능. • $V_{bi}$ 유도: 포아송 방정식, 전자 전류 밀도식, 아인슈타인 관계식을 활용한 이론적 분석 및 계산 절차. |
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[25강] p-n 접합 형성 (3)
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p-n 접합 형성 (3): 빌트인 포텐셜 및 공핍 근사
• 빌트인 포텐셜: p-n 접합의 평형 전위차를 의미하며, 캐리어 및 도핑 농도를 통해 $V_{bi} = \frac{kT}{q} \ln \left( \frac{N_d N_a}{n_i^2} \right)$로 계산. • 공핍 근사: 공핍 영역 내 캐리어 농도를 0으로 가정하고 외부를 전기적 중성으로 이상화하여 전하 분포를 모델링. • 쁘아송 방정식 적용: 공핍 근사로 쁘아송 방정식을 간소화하여 공핍 영역의 전하 밀도와 도핑 농도 관계를 분석. |
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[26강] 정전기적 변수의 해 (1)
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pn 접합 정전기적 변수의 해: 계단형 접합 (외부 전압 없음)
• PN 접합 정전기적 변수: 계단형 접합에서 전하 밀도($\rho$), 전기장($\mathcal{E}$), 전위차(V), 공핍 영역 길이($x_n, x_p, W$)의 정량적 해법 분석. • 쁘아송 방정식 및 경계 조건: 전하 밀도($\rho$)를 기반으로 전기장($\mathcal{E}$)과 전위차(V)를 순차적으로 유도하는 과정과 연속성 원리 적용. • 공핍 영역 길이 해: 총 전하 균형($N_ax_p = N_dx_n$)과 빌트인 전압($V_{bi}$)을 활용하여 공핍 영역 폭($W$) 공식을 도출하고 특성을 분석. |
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[27강] 정전기적 변수의 해 (2)
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계단형 접합 외부 전압 인가 시 정전기적 해 분석
* **계단형 접합 외부 전압:** 순방향/역방향 바이어스 시 $(V_{bi}-V_a)$ 대체 모델로 공핍 영역 폭, 전기장, 전위 변화를 정량적·정성적으로 분석. * **준페르미 준위:** 비평형 상태에서 캐리어 농도를 나타내며 $E_{Fp}-E_{Fn}=-qV_a$ 관계를 통해 다이오드 특성 이해. * **다이오드 정류 특성:** 전압 인가에 따른 공핍 영역 변화와 준페르미 준위 차이를 활용, 정류기·광전지 등 다양한 전자 소자 응용 원리 학습. |
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[28강] 정전기적 변수의 해 (3)
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선형적으로 변화하는 접합에서의 정전기적 변수 해
• 선형적으로 변화하는 접합 (LJG): 알짜 도핑 농도가 선형적으로 변하는 pn 접합의 전하 밀도, 전기장, 전위 해와 공핍 영역 길이 유도. • LJG 정전기적 변수: 전하 밀도($\rho$)는 선형, 전기장($\mathcal{E}$)은 포물선 형태로 정의되며, 빌트인 포텐셜($V_{bi}$) 및 공핍 영역($W$) 길이 유도 과정 학습. • pn 접합 특성 분석: LJG와 계단형 접합의 물리적 차이 비교, 페르미 준위, 빌트인 포텐셜, 공핍 영역 및 최대 전기장 계산 원리 이해. |
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[29강] 이상적 다이오드 방정식
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이상적 다이오드 방정식의 정성적 유도
* 이상적 다이오드 방정식: P-N 접합의 캐리어(확산, 표동) 거동 및 전위 장벽 변화를 기반으로 다이오드 전압-전류 특성을 정성적으로 유도. * P-N 접합 바이어스 분석: 평형, 순방향(장벽 감소 및 다수 캐리어 확산), 역방향(장벽 증가 및 소수 캐리어 표동) 상태별 캐리어 거동 및 전류 변화 양상 요약. * 다이오드 응용 및 특성: 단방향 전류 흐름을 활용한 정류기 원리 및 재결합-생성 중심을 통한 역방향 전하 축적 방지 메커니즘 설명. |
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| 6장. p-n Junction Diode (p-n 접합 다이오드) | ||
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[30강] I-V 특성 (1)
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물리전자 반도체 I-V 특성 정량적 해
• PN 접합 다이오드 I-V 특성: 이상적 다이오드 방정식 정량적 해 유도를 위해 5가지 핵심 가정(정상 상태, 저준위 주입 등)을 통한 물리현상 단순화 • 소수 캐리어 확산 방정식: 공핍 영역 외부 준중성 영역에서 캐리어 수명 및 광생성 비율을 고려하여 전자/정공 확산 현상 분석 • 전류 밀도 유도: 준중성 영역에서 전자 및 정공 전류 밀도 계산과 총 전류 밀도를 위한 공핍 영역 내부 분석의 필요성 제시 |
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[31강] I-V 특성 (2)
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I-V 특성 (2): 공핍 영역 내 전류 밀도 및 경계 조건
• 공핍 영역 내 전류 밀도: 연속 방정식 단순화를 통해 전자 및 정공 전류 밀도가 위치에 무관하게 일정함을 정의. • Ohmic Contact 경계 조건: 확산 길이를 기준으로 과잉 소수 캐리어 농도가 전극에서 0으로 감소함을 설명. • 공핍 영역 경계면 경계 조건: 준 페르미 준위 및 접합의 법칙을 활용하여 과잉 소수 캐리어 농도를 정량적으로 유도. |
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[32강] I-V 특성 (3)
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물리전자 및 반도체 공학 32강: I-V 특성 (3)
* PN 접합 I-V 특성: 소수 캐리어 확산 방정식을 기반으로 샤클리 방정식 유도 및 다이오드의 이상적인 전류-전압 관계 정량 분석 * 샤클리 방정식: 다이오드 전류($I$)와 외부 전압($V_a$) 관계를 정의하며, 순방향 및 역방향 바이어스에서 전류 거동을 설명하는 핵심 모델 * 포화 전류 ($I_0$): 반도체 물질의 $n_i^2$ 및 도핑 농도에 의존하며, 비대칭 도핑 접합에서는 저농도 영역의 소수 캐리어 주입에 의해 결정 |
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[33강] I-V 특성 (4)
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I-V 특성 분석 (4)
• p-n 접합 I-V 특성: 캐리어 전류 밀도 및 농도 위치 의존성, 순/역방향 바이어스 시 소수 캐리어 거동 분석 • 소수 캐리어 농도: 순방향 바이어스 시 공핍 영역 경계면 최대, 역방향 시 최소 농도 특성 규명 • 다이오드 전압·전류 계산: 접합의 법칙, 이상적 다이오드 방정식 및 확산 길이, 저준위 주입 조건 적용 |
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[34강] 역방향 항복 (1)
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물리전자 및 반도체 공학: 역방향 항복 (1)
• 역방향 항복: p-n 접합에서 임계 역전압($V_{br}$) 초과 시 급격한 전류 증가 현상. • 제너 항복: 고농도 도핑에서 전자의 터널링에 의해 낮은 $V_{br}$ 발생; 애벌런치 항복: 저농도 도핑에서 캐리어의 충격 이온화 및 증식으로 넓은 $V_{br}$ 발생. • 항복 전압($V_{br}$): 도핑 농도, 에너지 밴드 갭, 온도에 의존하며 증식 인자($M$) 및 임계 전기장($\mathcal{E}_{cr}$)에 의해 결정. |
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[35강] 역방향 항복 (2)
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역방향 항복 다이오드와 정류기 특성
• 역방향 항복 다이오드 (제너 다이오드): 제너 및 애벌런치 효과 기반 항복 전압 발생 원리 이해, 도핑 농도 조절 통한 전압 조정 소자 응용. • 정류기 원리 및 응용: 다이오드 단일 방향성 특성 활용, 이상적/실제 모델링으로 신호 정류 및 파형 형성 기능 수행. • 정류기 재료 특성: 에너지 밴드 갭($E_g$)이 역방향 포화 전류($I_0$)에 미치는 영향 분석, 실리콘(Si)의 넓은 $E_g$ 및 우수한 특성 이해. |
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[36강] 단순한 이론으로부터의 이탈
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물리전자 및 반도체 공학: 단순 이론 이탈
• 접촉 전위차 효과: 다이오드 캐리어 주입량과 순방향 특성 변화, 고준위 주입 시 전류-전압 기울기 ($e^{qV_a/2kT}$) 조절. • 옴 효과: 중성 영역 직렬 저항($R_s$)에 의한 전압 강하($IR_s$) 발생, 실제 다이오드 동작 전압 감소 및 전류-전압 관계 수정. • 공핍 영역 재결합 및 생성: 영역 내 캐리어 재결합 및 생성 과정이 이상 계수($n$)와 역방향 누설 전류에 미치는 영향 분석. |
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[37강] 과도 및 교류상태 (1)
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물리전자 및 반도체 공학 37강. 과도 및 교류상태 (1)
• 물리전자 과도 상태: p-n 접합의 시간 종속적 작용 분석, 축적 전하 및 정전용량 효과의 개념 이해. • 총 과잉 정공 전하량 $Q_p(t)$: n-side 소수 캐리어 전하량 정의 및 확산 방정식 기반 변화 유도. • 전하 제어 방정식: $I(t)$와 $Q_p(t)$ 간 관계, 재결합 및 전하 축적/소멸 설명, 지수 함수적 시간 변화 분석. |
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[38강] 과도 및 교류상태 (2)
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pn 접합의 정전 용량과 컨덕턴스
• pn 접합 정전 용량: 역방향 우세 접합 정전 용량($C_j$)과 순방향 우세 전하 축적 정전 용량($C_s$)으로 구분. • 접합 정전 용량($C_j$)은 공핍 영역에 의한 전압 가변 특성을, 전하 축적 정전 용량($C_s$)은 캐리어 확산에 따른 다이오드 길이 의존성을 가짐. • 다이오드 컨덕턴스(G): I-V 특성 기울기로 정의되며, 이상 다이오드 모델에서 역방향 바이어스 시 0에 수렴하는 특성을 보임. |
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[39강] 과도 및 교류상태 (3)
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다이오드 역방향 회복 및 스위칭 속도 향상
* 다이오드 역방향 회복 현상: 스위칭 시 축적 전하 소멸 지연으로 발생하는 역방향 전류 및 전압 유지 원리 파악. * 축적 지연 시간: 역방향 스위칭 시 전압 유지 기간으로, 캐리어 수명과 밀접하여 다이오드 스위칭 속도 결정. * 스위칭 속도 향상: 재결합 센터 첨가 및 협폭 베이스 다이오드 설계를 통한 캐리어 수명 및 축적 전하 제어 방안. |
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| 7장. Bipolar Junction Transistors (쌍극성 접합 트랜지스터) | ||
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[40강] BJT 동작의 기초. 공정
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BJT 동작 기초 및 공정
• BJT (Bipolar Junction Transistor): 에미터, 베이스, 콜렉터의 세 도핑 영역으로 구성된 반도체 소자로서, PNP/NPN 타입별 전류/전압 관계 및 공통 단자 구성 이해. • BJT 바이어스 모드: 접합 극성에 따른 포화, 활성, 반전, 차단 네 가지 동작 모드의 전기적 특성 및 응용 분석. • BJT 공정: PNP (분리형) 및 NPN (집적 회로용) BJT의 기판, 표피층, 매립층, 분리층 등 핵심 구조별 제작 과정과 기능. |
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[41강] 정전기학
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BJT 정전기학 및 기본 동작 원리
• BJT 정전기학: PN 접합과 도핑 농도 기반 공핍 영역 분석 및 평형 상태 페르미 레벨 이해. • BJT Active 모드: EB 순방향, BC 역방향 바이어스 조건에서 정공 캐리어 이동 원리 학습. • 트랜지스터 핵심 특성: 짧은 베이스 설계를 통한 $I_E \approx I_C$ 구현 및 전류 결합 현상 파악. |
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[42강] 기본 동작 원리 고찰. 동작 매개변수
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물리전자 및 반도체 공학: BJT 기본 동작 원리 및 동작 매개 변수
• BJT 기본 동작 원리: 활성 모드에서 캐리어 주입 및 좁은 베이스 폭 전송을 통한 높은 전류 이득 달성 메커니즘 분석. • BJT 동작 매개 변수: 에미터 효율($\gamma$), 베이스 전송률($\alpha_T$), 공통 베이스($\alpha_{DC}$) 및 공통 에미터($\beta_{DC}$) 직류 전류 이득의 정의와 상호 관계 이해. • 이상적인 BJT 모델 전제 조건: 균일 도핑, 비축퇴 반도체 등 분석 간소화를 위한 물리적 가정 및 소수 캐리어 확산 방정식 적용. |
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[43강] 이상적인 트랜지스터 분석 (1)
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물리전자 및 반도체 공학 43강. 이상적인 트랜지스터 분석 (1)
* 이상적인 BJT 분석: 저준위 주입, 1차원 정상 상태 등 기본 가정을 통해 BJT 동작을 설정 * 소수 캐리어 확산 방정식: 에미터 및 콜렉터 중성 영역에서 과잉 캐리어 농도 ($\Delta n_E, \Delta n_C$)를 확산 길이와 접합 법칙을 경계 조건으로 활용하여 도출 * 확산 전류 유도: 농도 기울기를 이용하여 에미터 ($I_{En}$) 및 콜렉터 ($I_{Cn}$) 소수 캐리어 확산 전류를 계산하며 이상적 다이오드 방정식과 유사한 형태를 분석 |
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[44강] 이상적인 트랜지스터 분석 (2)
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이상적인 트랜지스터 베이스 영역 해석 및 전류, 동작 매개변수
• 베이스 영역 해석: 유한 베이스 길이에서 과잉 캐리어 확산 방정식 해를 쌍곡선 함수로 간소화하는 방법론 학습. • 트랜지스터 전류 및 매개변수: E-B/B-C 접합 전류 유도와 활성 모드에서의 에미터 효율, 베이스 수송 계수, 전류 이득 정의. • 극한 조건 전류 간소화: 베이스 폭($W$)이 확산 길이($L_B$)보다 매우 큰 극한 조건에서 트랜지스터 전류가 이상적인 다이오드 방정식으로 간소화되는 원리 분석. |
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[45강] 이상적인 트랜지스터 분석 (3)
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이상적인 트랜지스터 분석 (3): W ≪ LB 조건 및 Ebers-Moll
• 베이스 폭 W ≪ LB 조건: 테일러 전개 기반 베이스 내 과잉 캐리어 농도의 선형적 분포 원리 및 결정 요인 분석 • W ≪ LB 조건 동작 매개 변수: 에미터 효율, 베이스 전송률, DC 전류 이득의 간략화된 관계식 이해 및 유도 • Ebers-Moll 방정식 및 모델: 이상적 다이오드 기반 트랜지스터 전류-전압 관계 정의 및 대신호 회로 분석 적용 |
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| 정오표 | ||
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[46강] 강의 정오표
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교재만 있습니다.
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서순주 교수님
물리전자 및 반도체공학Ⅰ
