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IT CookBook, 현대 반도체 소자 공학(수정판)

한빛아카데미

집필서

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흥미로운 주제를 중심으로

간결하게 배우는 현대 반도체 소자!

 

이 책은 반도체 소자 공학을 배우는 학부생 및 산업체 엔지니어를 대상으로 한다. 마이크로전자 공학계에서 명성이 높은 첸밍 후(Chenming Calvin Hu)가 흥미로운 방법으로 방대한 반도체 공학 내용을 간결하고 집약적으로 소개한다. 태양전지, LED, MOSFET과 같은 최신 주제와 응용 기술을 골고루 담아냈으며, 광범위한 내용은 수식과 그림을 통해 쉽게 이해할 수 있도록 구성했다. 또한 다양한 예제와 연습문제를 수록하여 핵심 원리를 빠르게 습득하는 동시에 반도체 물질 및 소자에 대한 폭넓은 지식을 쌓을 수 있게 했다.

 

* 본 도서는 대학 강의용 교재로 개발되었으므로 연습문제 해답은 제공하지 않습니다.

 

 

【무엇을 다루는가?】

무엇을 다루는가.jpg

첸밍 후 저자

첸밍 후

저자는 미국 캘리포니아대학교(University of California) 버클리(Berkeley) 캠퍼스의 마이크로전자공학 TSMC 우수 교수(TSMC Distinguished Professor Chair of Microelectronics) 이다. 그는 미국국립과학아카데미(U.S. Academy of Engineering)의 회원이고 중국과학자협회(Chinese Academy of Sciences)의 재외 회원이다. 2001년부터 2004년까지, 세계에서 가장 큰 IC 파운드리 회사인 TSMC의 최고기술경영자(Chief Technology Officer)로 재직했으며, 미국 전기전자기술자협회(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)의 회원이기도 하다. 1997년에는 트랜지스터 신뢰성에 대한 연구로 잭 모톤 상(Jack Morton Award)을 받았고, 2002년에는 회로 시뮬레이션을 위한 세계적 표준 트랜지스터 모델을 최초로 공동 개발한 공로로 고체회로 상(Solid State Circuits Award)을 받았다. 그리고 2009년에는 소자 물리와 스케일링에 대해 탁월한 기여를 한 공로로 준이치 니시자와 메달(Jun-ichi Nishizawa Medal)의 영광을 안았다. 그는 60명이 넘는 박사 학위 학생의 논문을 지도했고 800편의 기술 논문을 게재했으며, 100건 이상의 U.S. 특허를 획득했다. 그의 다른 명예로운 표창으로는 시그마 사이(Sigma Xi)의 모니 퍼스트 상(Monie A. Ferst Award)이 있으며, 연구개발 100인 상(R&D 100 Award), 그리고 UC 버클리(UC Berkeley)의 최고 교수 상인 버클리 우수 교수 상(Berkeley Distinguished Teaching Award)이 있다.

 

 

권기영 역자

권기영

공주대학교 전기전자제어공학부 명예교수로 , 한국과학기술원(KAIST)에서 전기 및 전자공학 박사 학위를 취득했다. 삼성반도체 선임연구원으로 근무했으며, 텍사스 주에 있는 서던메소디스트대학교(Southern Methodist University)에서 객원교수를 역임했다. 저서로는 『핵심이 보이는 반도체 공학』 (한빛아카데미, 2015)이 있으며, 역서(공역)로는 『전기전자공학개론(개정 6판)』 (한빛아카데미, 2017)이 있다.

 

 

신형철 역자

신형철

서울대학교 전기공학부 교수로 , 서울대학교 전자공학과에서 학사 및 석사 학위를 취득하고 미국 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스에서 박사 학위를 취득했다. 모토롤라 및 퀄컴에서 연구원으로 근무했으며, KAIST에서 교수를 역임했다. 저서(공저)로는 『NANOCAD와 함께 하는 반도체 소자』 (대영사, 2005)가 있다.

 

이종호 역자

이종호

서울대학교 전기공학부 교수로 , 서울대학교 전자공학과에서 박사 학위를 취득했다. 미국 MIT(Massachusetts Institute of Technology)에서 박사후 과정을 보냈고, 원광대학교와 경북대학교에서 교수로 재직했다. 저서(공저)로는 M『 OSFETs : Performance』 S( cientific)가 있다.

 

1장 반도체 내의 전자와 정공

 

1.1 실리콘 결정 구조

1.2 전자와 정공의 결합 모델

1.3 에너지 밴드 모델

1.4 반도체, 절연체, 도체

1.5 전자 및 정공

1.6 상태 밀도

1.7 열적 평형 상태와 페르미 함수

1.8 전자와 정공의 농도

1.9 n과 p의 일반적 이론

1.10 극고온과 극저온에서의 캐리어 농도

핵심요약

연습문제

 

 

2장 전자 및 정공의 운동과 재결합

 

2.1 열 운동

2.2 드리프트

2.3 확산 전류

2.4 에너지 다이어그램과 V, ℰ 간의 관계

2.5 D와 μ 간의 아인슈타인 관계식

2.6 전자-정공 재결합

2.7 열 생성

2.8 유사 평형 상태와 의사 페르미 준위 

핵심요약

연습문제

 

 

3장 소자 제조 기술

 

3.1 소자 제조에 대한 서론

3.2 실리콘의 산화

3.3 리소그래피

3.4 패턴 전사―에칭

3.5 도핑

3.6 도펀트 확산

3.7 박막 증착

3.8 상호 연결―후미(back-end) 공정

3.9 테스팅, 조립, 그리고 검정

핵심요약

연습문제

 

 

4장 PN 접합과 금속 - 반도체 접합

 

[Part 1 PN 접합]

4.1 PN 접합 이론의 기초적 요소

4.2 공핍층 모델

4.3 역 바이어스된 PN 접합

4.4 커패시턴스―전압 특성

4.5 접합 항복

4.6 정 바이어스 상태에서 캐리어 주입―유사평형 경계 조건

4.7 전류 연속 방정식

4.8 정 바이어스된 PN 접합에서 과잉 캐리어

4.9 PN 다이오드 IV 특성

4.10 전하 축적 

4.11 다이오드의 소신호 모델

 

[Part 2 광전 소자에의 응용]

4.12 태양전지

4.13 발광 다이오드와 고체 조명

4.14 다이오드 레이저

4.15 광 다이오드

 

[Part 3 금속 - 반도체 접합]

4.16 쇼트키 장벽

4.17 열전자 방출 이론

4.18 쇼트키 다이오드

4.19 쇼트키 다이오드의 응용

4.20 양자역학적 터널링

4.21 옴성 접촉 

핵심요약

연습문제

 

 

5장 MOS 커패시터

 

5.1 평탄 밴드 조건과 평탄 밴드 전압 

5.2 표면 축적 

5.3 표면 공핍

5.4 문턱 조건 및 문턱전압

5.5 문턱 조건 이후의 강반전

5.6 MOS 커패시터의 C-V 특성

5.7 산화막 전하―Vfb와 Vt의 변경

5.8 폴리실리콘 게이트 공핍 ― 유효 Tox의 증가

5.9 반전 및 축적 전하층 두께와 양자역학적 효과 

5.10 CCD 및 CMOS 화상기

핵심요약

연습문제

 

 

6장 MOS 트랜지스터

 

6.1 MOSFET의 소개

6.2 상보형 MOS(CMOS) 기술

6.3 표면 이동도와 고이동도 FET 

6.4 MOSFET Vt, 바디 효과, 가파른 역방향 도핑 

6.5 MOSFET의 Qinv 

6.6 기본적인 MOSFET IV 모델 

6.7 CMOS 인버터―회로의 예 

6.8 속도 포화 

6.9 속도 포화 현상이 있을 경우의 MOSFET IV 모델 

6.10 기생 소오스 - 드레인 저항 

6.11 직렬 저항과 유효 채널 길이의 추출

6.12 속도 오버슛과 소오스 속도 한계

6.13 출력 컨덕턴스

6.14 고주파 성능

6.15 MOSFET 잡음

6.16 SRAM, DRAM, 비휘발성 (플래시) 메모리 소자들

핵심요약

연습문제

 

 

7장 집적 회로에서의 MOSFET

 

7.1 소자 축소화―가격, 속도 및 전력 소모

7.2 문턱전압 이하 전류―“OFF”는 완전한 “OFF”가 아니다

7.3 Vt 감소(롤 오프)―단채널 MOSFET이 심한 누설전류를 갖는다 

7.4 게이트 절연막의 전기적 두께 감소 및 터널링 누설전류 

7.5 Wdep을 줄이는 방법

7.6 얕은 접합과 금속 소오스/드레인 MOSFET 

7.7 Ion과 Ioff 의 절충 및 제조를 위한 설계 

7.8 극도로 얇은 바디 SOI 및 멀티게이트 MOSFET 

7.9 출력 컨덕턴스 

7.10 소자 및 공정 시뮬레이션 

7.11 회로 시뮬레이션을 위한 MOSFET 콤팩트 모델 

핵심요약 

연습문제 

 

 

8장 바이폴라 트랜지스터

 

8.1 BJT 입문

8.2 컬렉터 전류

8.3 베이스 전류

8.4 전류이득

8.5 컬렉터 전압에 의한 베이스 폭 변조 

8.6 에버스 - 몰 모델

8.7 천이 시간과 전하 저장

8.8 소신호 모델

8.9 컷오프 주파수

8.10 전하 제어 모델 

8.11 대신호 회로 시뮬레이션을 위한 모델 

핵심요약

연습문제

 

 

부록 A. 상태 밀도의 유도 

부록 B. 페르미-디락 분포 함수의 유도 

부록 C. 소수 캐리어 가정의 일관성 

 

참고문헌 

찾아보기

➊ 1~2장_ 반도체에서의 전자와 정공

반도체를 이해하는 데 필요한 기본 개념과 용어를 살펴본다. 전자와 정공의 농도 및 운동과 전자 - 정공 쌍의 생성과 재결합을 통해 반도체의 특성을 설명한다.

 

➋ 3~4장_ 반도체 소자의 응용

반도체로 소자를 만드는 방법과 제조 기술에 대해 학습하고, 2개의 서로 다른 물질을 함께 결합하여 형성한 여러 가지소자를 알아본다.

 

➌ 5~6장_MOS 커패시터 및 트랜지스터

MOS 커패시터의 C-V 특성, 문턱 조건 등을 살펴보며 MOS 구조에 대해 이해하고, 현대 MOSFET 소자들에 대해 학습한다.

 

➍ 7~8장_IC에서의 MOSFET/바이폴라 트랜지스터

MOSFET의 축소화에 대해 중점적으로 다루고, 향후 전망을 살펴본다. 마지막으로, BJT의 동작과 여러 가지 모델, 응용 분야에 대해 알아본다.

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