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물리전자 및 반도체공학Ⅱ
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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총 6개 챕터, 38강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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| 8장. Metal-Semiconductor Contacts and Schottky Diodes (금속-반도체 전극과 샤키 다이오드) | ||
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[1강] 이상적 금속-반도체 전극 (1)
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이상적 금속-반도체 전극의 에너지 밴드 분석
* 이상적 MS 전극: 전자 소자 접촉부의 기본 모델, 4가지 성질로 정의되는 이상적 특성 분석. * 에너지 밴드 용어: Vacuum level, 일함수, 전자 친화력 개념 및 Fermi level과의 관계 정리. * MS 접촉 밴드 변화: 일함수 조건에 따른 Fermi level 정렬, band bending, 공핍 영역 및 표면 전위 장벽 형성 메커니즘 분석. |
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[2강] 이상적 금속-반도체 전극 (2)
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바이어스 인가 금속-반도체 전극 특성
• 바이어스 인가 MS 접합: 금속-반도체 일함수 관계 기반 정류·옴 전극 형성 및 전기적 특성 분석 • N-type MS 접합: 일함수 조건에 따른 순/역방향 바이어스 시 전위 장벽 변화 및 I-V 특성을 통한 정류·옴 전극 원리 학습 • P-type MS 접합: 일함수 관계 및 바이어스 인가에 따른 에너지 밴드 변화를 통해 N-type과 상반된 정류·옴 전극 특성 이해 |
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[3강] 샤키 다이오드 (1)
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샤키 다이오드 정전기학 분석
• 샤키 다이오드 정전기학: MS 다이오드의 평형 상태 에너지 밴드를 기반으로 정전기적 특성 분석. • 내부 전위차·전하 밀도·전기장·정전기적 전위차: 푸아송 방정식을 활용한 각 변수의 정의 및 수학적 유도. • 공핍 영역의 길이: 공핍 영역 끝을 전위 기준점으로 설정, 외부 전압에 따른 길이 변화 원리 규명. |
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[4강] 샤키 다이오드 (2)
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샤키 다이오드 주요 변수 계산 및 I-V 특성 분석
• 샤키 다이오드 주요 파라미터 산출: 장벽 높이($\Phi_B$), 빌트인 전압($V_{bi}$), 공핍 영역 폭($W$), 최대 전계($\mathcal{E}_{max}$) 계산 공식 및 물리적 변수 정립 • MS 접합 I-V 특성 분석: 소수 캐리어 확산 중심의 PN 접합과 대비되는 다수 캐리어(전자) 주입 기반의 전류 흐름 및 구조적 차이점 요약 • 열전자 방출 전류(Thermionic Emission): 에너지 장벽을 넘는 열적 에너지 기반의 캐리어 이동 기전 및 다수 캐리어 소자(Majority carrier device) 정의 |
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[5강] 샤키 다이오드 (3)
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샤키 다이오드 I-V 특성: 정량적 표현
• MS 다이오드 I-V 특성 정량화: 반도체-금속 간 전자 이동 전류를 유도하여 이상적인 다이오드 방정식의 수학적 표현 분석. • 이상적인 다이오드 방정식 구성: 리처드슨 상수 및 유효 질량을 활용한 포화 전류 정의와 전압-전류 관계 설정. • 바이어스별 전류 특성: 순방향 바이어스에서 지수 함수적 전류 증가, 역방향 바이어스에서 포화 전류 거동 예측 원리. |
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[6강] 샤키 다이오드 (4)
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샤키 다이오드의 실험적 I-V 특성 및 응용
* 샤키 다이오드 I-V 특성: 순방향에서 이론과 유사하나, 역방향에서는 샤키 장벽 강하로 전류 비포화 및 애벌런치 항복 발생 원리 분석. * 샤키 장벽 강하: 역방향 전압 증가 시 금속-반도체 계면의 전위 장벽($\phi_B$) 감소를 통한 역방향 전류 증가 현상 설명. * 샤키 다이오드 응용: 낮은 에너지 장벽 특성을 활용하여 BJT 클램프 회로에서 축적 전하량을 줄이고 스위칭 속도(턴 오프 시간) 개선 메커니즘. |
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[7강] 실제 전극에 대한 고려
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물리전자 및 반도체 공학 52강. 실제 전극 고려 및 종류
* 정류 전극 (Rectifying Contacts): 산화물층, 표면 상태, 페르미 레벨 고정 효과로 인한 실제 MS 전극의 전위 장벽 높이 변화 및 비이상적 특성 분석. * 옴 전극 (Ohmic Contacts): 전압 강화 최소화를 위한 고농도 도핑 및 공핍 영역 축소를 통한 터널링, 전계 방출 캐리어 수송 메커니즘 이해. * 실리사이드 (Silicide): 알루미늄 전극 고온 불안정성 극복을 위한 내열 금속-실리콘 화합물의 열적, 화학적 안정성 및 활용 원리. |
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| 9장. Field-effect Transistors (전계효과 트랜지스터) | ||
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[8강] 접합 트랜지스터. 금속-반도체 전계 트랜지스터
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접합 및 금속-반도체 전계효과 트랜지스터
* 전계 효과 트랜지스터 (FET): 전기장으로 반도체 전도도를 조절하여 전류를 제어하는 소자 개념. * 접합 전계효과 트랜지스터 (J-FET): PN 접합 게이트로 공핍 영역을 조절하여 채널 폭을 제어하고 핀치-오프 현상을 통한 포화 특성 구현. * 금속-반도체 전계효과 트랜지스터 (MESFET): 쇼트키 접합 게이트를 이용, GaAs 기반 고주파 응용에 적합하며 D-MESFET, E-MESFET 모드로 분류. |
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[9강] MOS의 기초 (1)
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MOS의 기초 및 이상적 구조와 에너지 밴드 다이어그램
* MOS 구조 정의: 금속-산화물-반도체 구성, 이상적 MOS 축전기의 핵심 특징 및 정전기학적 분석의 기본 원리. * 에너지 밴드 다이어그램: 평형 상태 MOS의 일 함수, 전자친화도, 페르미 준위 등 각 물질층의 에너지 밴드 특성 분석. * 게이트 바이어스 효과: DC 바이어스 인가 시 페르미 준위 불변성, 밴드 밴딩 발생 영역 및 산화물층의 선형 밴드 밴딩 원리. |
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[10강] MOS의 기초 (2)
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물리전자 및 반도체 공학 55강. MOS의 기초 (2)
• MOS 에너지 밴드 다이어그램: MOS 구조의 평형 및 외부 바이어스($V_G$)에 따른 에너지 준위와 전하 분포 변화 원리 분석 • MOS 동작 모드: 축적, 공핍, 반전 전이, 반전 모드별 에너지 밴드 밴딩 및 계면 전하 분포 특성 설명 • 문턱 전압($V_T$): 반도체 표면 캐리어 전환점 정의 및 MOS-C 동작 원리의 핵심 개념 요약 |
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[11강] MOS의 기초 (3)
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MOS의 기초 (3): 폴리 실리콘 게이트 MOS-C 특성 분석
* 폴리 실리콘 게이트 MOS-C: V_G=0V에서의 밴드 벤딩 특성과 플랫 밴드 전압 (V_FB)을 기준으로 한 동작 모드 분석. * 플랫 밴드 전압 (V_FB): 게이트-반도체 일함수 차이로 정의되며, 축적, 공핍, 반전 모드 설명의 핵심 기준점. * P-type MOS-C 동작 모드: V_FB 및 문턱 전압 (V_T)에 따라 축적, 공핍, 강한 반전 시 에너지 밴드와 캐리어 거동 변화 파악. |
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[12강] MOS의 기초 (4)
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MOS의 기초 (4): 정전기학 정량적 표현
• MOS-C 정전기학 정량적 분석: 전위 $\phi(x)$를 중심으로 표면 전위 $\phi_s$와 물질 매개변수 $\phi_F$의 개념, 정의, 관계를 탐구. • 표면 전위 ($\phi_s$): O-S 계면 전위로 밴드 벤딩 정도를 나타내며, MOS-C의 축적, 공핍, 반전 등 동작 모드 결정에 핵심. • 물질 매개변수 ($\phi_F$): 벌크 페르미 레벨과 고유 페르미 레벨의 전위차로, 반도체 도핑 타입과 농도를 규정하며 $\phi_s$와의 상대적 관계를 통해 MOS-C의 동작 모드를 결정. |
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[13강] MOS의 기초 (5)
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MOS의 정전기적 변수와 그 정량화
• 정규화된 정전위 U(x): MOS-C의 전위 $\phi(x)$를 정규화하여 전기장 E 및 전하 밀도 ρ를 표현하는 핵심 변수 정의 • 디바이 거리: 반도체 밴드 벤딩 정량화 및 전하 차단 거리 개념으로, 진성/외인성 유형으로 반도체 특성 분석 • 전기장 E 및 전하 밀도 ρ: 포아송 방정식을 활용, U(x) 함수로 유도하여 MOS 디바이스 물리적 동작을 수학적으로 모델링 |
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[14강] MOS의 기초 (6)
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MOS의 기초 Delta-Depletion Solution
* MOS-C 델타-공핍 해: 표면 전위 변화에 따른 전하 밀도 및 전위 분포 분석 원리. * MOS-C 동작 모드 특징: 축적·공핍·반전 시 계면 델타 전하 집중 및 공핍 영역 변화 구조. * 공핍 근사 기반 유도: 전하 밀도, 전기장, 전위, 공핍 영역 길이($W$)의 수학적 유도 절차와 공식. |
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[15강] MOS의 기초 (7)
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MOS 게이트 전압 및 표면 전위 관계 분석
• MOS 게이트 전압 ($V_G$): 반도체 표면 전위 ($\phi_s$)와 산화물층 전위차($\Delta\phi_{ox}$)의 합으로 정의, MOS-C 동작 모드 분석의 기본 원리 확립. • 산화물층 전위차($\Delta\phi_{ox}$): 전기 변위 ($D$)의 연속성 및 절연체 특성을 활용하여 반도체층 전기장($E_{semi}$)으로 유도되는 과정. • 최종 $V_G$ 관계식: 델타 공핍 해 기반 공핍 영역 ($0 \leq \phi_s \leq 2\phi_F$)에서 유효하며, $V_G$ vs $\phi_s$ 그래프를 통해 MOS-C 동작 특성 분석. |
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[16강] 정전용량-전압 특성 (1)
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정전용량-전압 특성 및 정전용량 개념
• C-V 특성: MOS-C 소자 내부 전기적 특성 및 공정 품질 진단을 위한 핵심 측정값 • 정전 용량: 전하 축적 능력 정의 및 평행판 축전기 모델을 통한 $C = \frac{\epsilon A}{d}$ 공식 유도 • 유전율: 물질의 전기적 특성을 나타내는 물리량으로, 진공 유전율과 상대 유전율을 포함 |
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[17강] 정전용량-전압 특성 (2)
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정전용량-전압 특성 분석 (정성적 이론)
• C-V 특성 분석: 반도체 소자 내부 공핍 영역, 도핑 프로파일, 계면 트랩 밀도, 산화물 전하 등 핵심 정보를 파악하는 측정 기법. • C-V 프로파일링: DC 및 AC 전압 조건에서 공핍 영역의 전하 거동을 측정하여 트랩, 불순물 원자, 산화물 두께 등 소자 성능 요인을 진단. • MOS-C 축적 모드: 게이트 전압($V_G$) 인가 시 산화물층 정전용량($C_{ox}$)과 유사한 특성을 나타내며 AC 신호에 전하 변동 발생. |
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[18강] 정전용량-전압 특성 (3)
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정전용량-전압 특성 (3): 공핍 및 반전 모드 분석
* MOS 소자 C-V 특성: 공핍 모드에서 공핍 영역 길이 변화에 따른 정전용량 감소 원리 분석 * 반전 모드: AC 신호 주파수에 따른 소수 캐리어 반응 차이로 저주파 및 고주파 영역 정전용량 변화 설명 * Quasi-Static C-V 측정: 느린 전압 램핑을 통해 MOS 소자의 실제 정전용량 측정 원리 및 기법 이해 |
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[19강] 정전용량-전압 특성 (4)
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MOS-C 정전용량-전압 특성 정량적 분석
* MOS-C 델타-공핍 이론: 공핍 근사 기반 C-V 수식 유도, 축적·공핍·반전 모드 특성 및 이론적 한계 분석. * MOS-C C-V 특성 요인: 도핑 농도, 산화물 두께, 온도 변화가 C-V 곡선에 미치는 영향과 실제 측정값 유사 모델 이해. * MOS-C 바이어스 모드: 축적·공핍·반전 등 각 모드별 C-V 곡선과 전하 다이어그램 해석 및 숙지. |
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| 10장. MOSFETs (MOS 전계효과 트랜지스터) | ||
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[20강] 기본동작: 정성적 이론
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MOSFET 기본 동작 정성적 이론
• MOSFET 기본 개념: 전압 제어 전류 소자로, 게이트 전압으로 채널 전도도를 제어하여 드레인 전류를 조절하는 반도체 소자. • MOSFET 동작 모드: 문턱 전압 $V_T$ 기준으로 채널 형성, $V_G \le V_T$ 차단 모드, $V_G > V_T$ 시 반전층 형성으로 전도 채널 형성 준비. • MOSFET I-V 특성: $V_D$ 증가에 따라 선형 영역에서 $I_D$ 비례 증가, 핀치-오프 후 포화 영역에서 $I_D$가 일정하게 유지되는 특성. |
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[21강] 전류-전압 관계: 정량적 분석 (1)
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물리전자 반도체 공학 전류-전압 관계 정량적 분석 (1)
• MOSFET 문턱 전압($V_T$): 트랜지스터 동작 시작 전압으로, 채널 형성 조건 및 이상적인 n/p채널 소자의 수학적 표현을 정의. • 유효 이동도($\bar{\mu}$): 벌크 이동도와 구별되는 채널 내 캐리어의 평균 이동도로, 표면 산란과 게이트 전압 증가에 따라 감소하는 특성. • 유효 이동도 정량적 분석: 채널 내 캐리어 분포를 기반으로 정의되며, 게이트 전압에 따른 감소 현상에 대한 수학적 모델링 제시. |
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[22강] 전류-전압 관계: 정량적 분석 (2)
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물리전자 및 반도체 공학: 전류-전압 관계 정량적 분석 (2)
* MOSFET I-V 특성: 드레인 전류 정량적 분석을 위한 제곱 법칙 이론과 벌크-전하 이론의 기본 원리 및 차이점 이해 * 제곱 법칙 이론: MOSFET 드레인 전류(ID)와 포화 전류(IDsat)의 제곱 의존성을 설명하며, 공핍 영역 단순화 모델 적용 * 벌크-전하 이론: 공핍 영역 길이 변화를 고려하여 MOSFET I-V 특성을 정교하게 모델링하고 실험값과 높은 일치도 제공 |
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[23강] 부하선
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부하선 개념 및 트랜지스터 회로 기능 분석
• 부하선: 비선형 I-V 특성 곡선과 루프 방정식을 활용하여 소자의 정상 상태 작동점 결정. • 3단자 소자 부하선: 트랜지스터 게이트 전압 변화에 따른 작동점 분석 및 예측 과정 이해. • 트랜지스터 기능: 게이트 전압 제어를 통한 전압-제어 증폭 및 디지털 스위칭 원리 구현. |
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[24강] AC 응답
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MOSFET AC 응답 분석
• MOSFET AC 응답: 작은 신호 등가 회로를 활용하여 저주파 및 고주파 영역의 특성 분석 • 저주파 컨덕턴스: 채널 컨덕턴스($g_d$)와 교류 전달 컨덕턴스($g_m$)로 AC 드레인 전류 변화 정의 • 고주파 특성 및 차단 주파수($f_{max}$): 게이트-소스 정전 용량($C_{gs}$)이 지배하며, $f_{max}$는 최대 증폭 주파수로 채널 길이($L$)에 반비례 |
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[25강] 전달 특성. 이동도 모델 (1)
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전달 특성 및 이동도 모델 분석
• MOSFET 전달 특성: 드레인 전류와 게이트 전압 관계를 선형 및 포화 영역에서 분석하며 문턱 전압 등 주요 파라미터 정의. • 캐리어 이동도 열화: 표면 거칠기, 고정 전하, 고전압 게이트 바이어스로 인한 MOSFET 채널 내 유효 이동도 감소 원인 규명. • 유효 전계 및 이동도 모델: 유효 수평 전계($\mathcal{E}_{eff}$)의 정의와 가우스 법칙 기반 표현, 이동도 열화 매개변수가 드레인 전류에 미치는 영향 설명. |
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[26강] 이동도 모델 (2). 문턱 전압의 제어
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물리전자 및 반도체 공학: 이동도 모델 (2), 문턱 전압의 제어
* 단채널 MOSFET 특성: 캐리어 이동도 모델 분석 및 드레인 전류의 게이트 전압 선형 관계 이해. * 문턱 전압($V_T$) 제어: 게이트 전극 물질 선택, 산화막 정전 용량($C_o$) 최적화, 이온 주입을 통한 $V_T$ 미세 조정 핵심 원리. * 이온 주입 조정: 붕소/인 이온 투여량으로 증식형/공핍형 소자 구현 및 High-K 물질 활용 누설 전류 감소, 에너지 장벽 확장 응용. |
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[27강] 금속-반도체 일함수 차이
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금속-반도체 일함수 차이 분석
• 금속-반도체 일함수 차이($\Phi_{MS}$): MOS 소자의 비이상성 주 원인으로, 문턱 전압 및 게이트 전압 이동을 야기하는 핵심 물리량. • 에너지 밴드 다이어그램: 평형 상태에서 페르미 준위 정렬, 밴드 벤딩, 내부 전압($V_{bi}$) 형성을 통해 $\Phi_{MS}$의 물리적 원리 설명. • C-V 특성 분석: $\Phi_{MS}$로 인한 C-V 곡선 수평 이동 및 게이트 전압 시프트($\Delta V_G$)를 정량적으로 파악하는 방법 제시. |
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[28강] 산화물 전하
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물리전자 및 반도체 공학: 산화물 전하의 종류 및 효과
* **산화물 전하**: MOSFET 산화물층에 존재하는 고정, 트랩, 이동, 계면 전하의 정의와 분류 및 특성. * **전압 쉬프트 및 소자 불안정성**: 산화물 전하가 유발하는 게이트 전압 이동 현상과 소자 특성 저하. * **게이트 전압 쉬프트($\Delta V_G$) 유도**: 산화물 전하 밀도($\rho_{ox}(x)$)와 두께($x_0$) 기반의 정량적 게이트 전압 변화 분석. |
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[29강] 유동성 이온
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유동성 이온
• 유동성 이온 개념: MOS 소자 C-V 특성 곡선 쉬프트 및 불안정성(BT 스트레싱)의 주원인인 Na+ 등 양전하 알칼리 이온의 정의, 발생원, 특징 분석 • 게이트 전압 쉬프트: 유동성 이온 전하량($Q_M$)에 의한 전압 쉬프트($\Delta V_G$) 정량화 및 인 안정화, 염소 중화 기법을 통한 오염 감소 절차 이해 • 이온 위치 영향: 산화물층 내 유동성 이온 위치($x_{loc}$)에 따른 게이트 전압 쉬프트 민감도 변화 및 BT 스트레싱 시 이온 재분포 효과 학습 |
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[30강] 고정 전하
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고정 전하의 특성 및 물리적 기원
• 고정 전하: 산화물-반도체 계면 근처에 고정된 양의 전하 정의 및 MOS 게이트 전압 음의 쉬프트 유발 원리. • 고정 전하 특성: 산화 조건·Si 면 방향에 의존하며, 산화물 두께·도핑과 무관하고 어닐링으로 감소 가능. • 고정 전하 기원: 산화 과정 중단 시 발생하는 과잉 Si 이온에 의한 형성 메커니즘. |
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[31강] 계면 트랩
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계면 트랩의 특성 및 제어
• 계면 트랩: MOS 소자 성능 저하의 주원인인 댕글링 본드에서 기원하며, 게이트 전압 시프트를 유발하는 표면 결함. • MOS-C 동작 모드별 트랩 전하: 반전, 공핍, 축적 모드에 따라 전하 분포가 변화하여 소자 전기적 특성에 영향. • $D_{IT}$ 제어: 수소 열처리를 통해 댕글링 본드를 비활성화하여 계면 트랩 밀도를 감소시키고 소자 안정성을 향상. |
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[32강] 채널길이 변조변화
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채널 길이 변조 효과
• 채널 길이 변조 효과: MOS 소자 핀치 오프 후 드레인 전압 증가 시 유효 채널 길이 감소로 드레인 전류가 증가하는 현상. • 채널 길이 변조 상수 $\lambda$: 유효 채널 길이 변화와 드레인 전압 간 비례 관계를 정량화하며 드레인 전류 수식에 반영되는 매개변수. • MOSFET I-V 특성 영향: 실제 소자 포화 영역에서 드레인 전류 증가 기울기를 유발하며, 짧은 채널 소자에서 더욱 두드러지는 특성. |
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[33강] 단채널 효과
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단채널 효과 및 주요 현상 분석
• 단채널 효과: MOSFET 채널 길이 단축 시 발생하는 문턱 전압 변동, 캐리어 흐름 제어 난이도 증가, 소자 성능 저하 현상 통칭 • $V_T$ roll off 및 DIBL/Punch through: 채널 길이 및 드레인 전압 변화로 문턱 전압 감소, 전위 장벽 하강에 따른 소자 제어 기능 약화 • Velocity Saturation 및 Hot electrons: 전기장 강도 증가에도 캐리어 속도 포화, 고에너지 전자의 산화막 트랩으로 소자 성능 저하 및 신뢰성 악화 |
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| 11장. Photo Detectors (광검출기) | ||
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[34강] 광다이오드 (1)
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물리전자 및 반도체 공학 79강. 광다이오드 (1)
* 광다이오드 개념: 빛을 전류로 변환하는 광전자 소자의 정의, 전자-정공쌍 생성 및 PIN 구조 특성. * 광다이오드 전류-전압 특성: 광전류, 암전류, 단락 전류($I_{op}$), 개방 회로 전압($V_{oc}$) 분석 및 관련 수식 이해. * 광기전력 효과: 빛 노출 시 PN 접합에서 전압/전류 생성 원리 및 에너지 밴드 다이어그램 해석. |
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[35강] 광다이오드 (2)
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광다이오드: 태양전지, 검출기 및 양자 효율
• 태양전지: 광다이오드 기반 빛-전기 에너지 변환 원리, I-V 특성 및 채움인수로 성능 평가. • 광검출기: 빛 감지 전기 신호 변환 센서, 응답 속도·대역 너비 중요하며 공핍층·p-i-n·애벌런치 구조 분석. • 양자 효율: 광다이오드 에너지 변환 효율 지수, 외부(EQE) 및 내부(IQE) 양자 효율 개념 이해. |
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[36강] 발광 다이오드
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발광 다이오드 (Light Emitting Diode)
• 발광 다이오드 (LED): 직접 밴드 갭 반도체에서 캐리어 재결합을 통한 주입형 전계 발광 원리로 빛을 방출하는 광원. • 빛의 색깔 결정: 반도체 밴드 갭 에너지와 파장($E=hc/\lambda$)으로 결정되며, 고효율 적색·녹색·청색 조합의 백색 광원 구현이 목표. • 유기 발광 다이오드 (OLED): 유기 박막을 활용한 전계 발광 소자로, 효율 특히 청색 발광 효율 개선이 핵심 과제. |
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| 12장. Integrated Circuits (집적 회로) | ||
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[37강] 집적 회로
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집적회로 및 CMOS 공정 개요
• 집적회로(IC) 개요: 트랜지스터 집적 기술, 디지털 IC 중심 분류, 무어의 법칙에 따른 집적도 증가 원리 이해 • CMOS 기술 및 동작: p/n-채널 결합 인버터의 낮은 전력 소비 원리, 래치업 현상 및 방지 대책 학습 • CMOS 자기 정렬 공정: 이중 웰 형성, 폴리실리콘 패터닝, 자기 정렬 도핑 등 주요 제작 절차 분석 |
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| 정오표 | ||
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[38강] 강의 정오표
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교재만 있습니다.
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서순주 교수님
물리전자 및 반도체공학Ⅱ
