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기초 반도체 소자 이론 : MOSFET 의 MOS 구조 일반적으로 우리가 아는 capacitor는, 말하자면 metal - Insulator - metal 구조로 되어 있다. 금속은 전자의 바다라고 불릴 만큼, 무한정 캐리어가 공급되는 물질로 취급한다. 그러나 반도체의 동작은 carrier concentration 과 transport 으로 학습한 이론에 따라 사뭇 다르게 움직인다. MOSFET 이 MOS cap 의 동작으로 channel 을 형성하는 소자인 만큼, 이를 이해하는 것은 중요하다. 반도체의 전하 축적과 전도를 이야기할 때, 이제 에너지 밴드를 가장 먼저 떠올려야 한다. 먼저 MOS 구조의 에너지 밴드 전체를 구경하고 시작하겠다 금속은 Fermi level 이하에서는 전자 발견 확률이 1 이고, 그 위에서.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 3. 5.
기초 반도체 소자 이론 : MOSFET 드디어 기초 반도체 소자 이론의 최종장인 MOSFET 이다. 현대 IC 소자 대부분이 MOSFET 구조를 기반으로 만들어져 있으며, 당신이 쓰는 핸드폰 속에도 10억개가 넘는 MOS 소자가 들어있다. MOSFET 은 Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor 의 약자이며, 아래와 같이 생겼다 (b) 의 이미지에서, 두개의 n+ 층(Source 와 Drain) 사이에 전류가 흐르고 트랜지스터이니 만큼 이 전류를 조절하는 Gate 단자가 존재한다. Gate 부터 body 까지 (Body 는 지금은 무시해도 괜찮다)의 구조를 보면 Metal 이 맨 위에 깔려 있고, 이 아래 Oxide 가 얇게 깔려 있고 맨 맽에 P형 Si 기판이 놓인다. 이 구조가 Metal-o.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 3. 4.
전공정 장비 산업의 곳곳에 숨어있는 기회들 : 니치 마켓의 독점 애플은 자본 투자를 통한 압도적 성능과, 고유의 감성 및 생태계라는 경제적 해자를 가진 기업이고, 이 글을 보러 오신 분들이라면 모두 알고 계실 TSMC 는 Foundry 시장에서 독점적 지위를 가진 기업입니다. 장비 시장의 또 다른 독점 기업으로는 ASML 이 있죠. 일반적으로 제조업의 영업이익률은 10% 내외입니다만, 위 기업들은 30% 가 넘는 영업이익률을 꾸준히 달성하는 기업들입니다. 너무나 큰 기업들이라 와닿지 않을 수 있지만, 사실 상식 이상의 경영실적입니다. 이러한 성과의 비결은 당연히, 경쟁사가 따라오지 못할 기술적 장벽, 플랫폼 선점, 고객 및 생태계 확보 등을 바탕으로 한 '독점' 이라는 키워드가 되겠죠. ASML 은 8대 공정 중 하나인 노광 공정이라는, 매우 큰 시장에서 독점적 지위.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 2. 6.
기초 반도체 소자 이론 : BJT circuit / overview 지금까지 BJT 에 대한 물성적 특성을 배웠다. 다시 되짚어보자면 1) 반도체의 물리학적인 원리를 파악하여, 밴드 구조와 캐리어의 concentration을 통해 전류 흐름을 이해하였다 - Drift, Diffusion 등 전하가 쌓이고 움직이는 원리를 배우고, 모빌리티 등의 영향을 알아보았다 2) 반도체 내 전류 특성을 기반으로 PN 접합에서 나타나는 전류 흐름 현상을 파악하였다 - pn 접합시 나타나는 물리학적 현상과, 외부 전원 인가 시 전류가 흐르는 현상 등을 배우고 - Breakdown, 불균일 도핑 등의 비이성적 효과를 배웠다 3) PN 접합을 기반으로 BJT 의 동작원리를 배웠다 - 배웠던 ambipolar 방정식 등이 같이 활용되었고, 공간전하 등의 물리적 성질에 대한 이해가 필요했으며 -.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 2. 4.
기초 반도체 소자 이론 : BJT non-ideal effect BJT, MOSFET 과 같은 기초적인 반도체 소자들은 그 동작이 정량적으로 해석되어 있고, 이를 통해 변수간의 관계를 이해하고 활용할 수 있다. 예를 들어, BJT 의 전류식은 우측과 같은 식으로 정리되는데, 이 식을 통해 1) 특정 조건하에서 전류가 주어졌을 때, B-E 전압의 변화로 전류가 어떻게 변하는지 알 수 있고 2) 주어진 상수 값을 제외하면, 도핑 농도와 소자의 기하학적 구조를 설계할 수 있다 그러나, 실제 소자를 제작할 때 위 식에 알맞은 값으로 도핑농도 등을 대입한다고 해도 (대입 과정 역시 완벽하지 않겠지만) 소자가 예측한 특성을 나타내지는 않는다. 실제 소자에는 물리적 제약으로 인한 여러 가지 이상적이지 않은 현상들이 존재하며, 반도체 산업은 이것마저 고려하여 소자를 설계할 수 있도.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 2. 4.
기초 반도체 소자 이론 : Bipolar Junction Transistor 도체에 열이 가해지면 전자가 방출되는 열전 효과를 이용하여, 2극 진공관은 단방향으로 전류를 흘려줄 수 있었다. 1906년 Lee de Forest 는 2극진공관의 중간에 하나의 grid 라는 전극을 추가하여, Vin 의 작은 변화에도 Cathode 에서 Anode 로 흐르는 전자의 양을 크게 제한할 수 있었다. 즉, 작은 전압의 변화로 출력이 크게 변하는 소자의 최초 발명이였다. 1947 년 벨 연구소에서 최초의 트랜지스터가 탄생하고, 이후 집적회로 위에 트랜지스터를 집적하는 IC의 개념이 발달하게 되면서 전자공학의 시대가 열린다. BJT 는 초기의 트랜지스터의 형태였고, 현재에도 발진회로, 라디오 통신, 전력 응용분야에 사용되고 있습니다. BJT 는 동작속도가 빠르며,민감도와 전압 증폭 성능이 좋고,.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 1. 24.
기초 반도체 소자 이론 : PN Diode PN 접합에 순바이어스가 걸리면, 전위장벽이 낮아지며 전하들이 흐르게 된다. PN 접합 구조는, 특정 방향의 전압에 대해 전류를 흘려주는 소자로써 동작하며, 이러한 소자를 다이오드라고 한다. 다이오드는 정류 특성 등으로 활용할 수 있지만, 다른 소자 내에서 PN 접합 구조가 어떻게 구성되었는지 보는 것이 더욱 중요하다 정성적으로 보면, 순방향 전압이 인가될 때 공간전하 폭은 줄어들고 전위장벽이 낮아지며 전하들이 반대 방향으로 확산한다. 반대편으로 주입된 전자와 정공은 과잉 캐리어이며 소수 캐리어로, 이들의 특성은 ambipolar transport 로써 설명된다. 정량적인 전류 방정식을 유도하기 위해, 다음과 같은 가정을 한다 (1) 계단 접합을 적용하며 (2) Low inject.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 1. 16.
기초 반도체 소자 이론 : PN junction 지금까지 우리는 반도체 물질의 여러가지 특성에 대해서 학습하였다. 다시 요약하자면 A. 격자 구조와 상수 : 지금은 (1) 격자 구조의 유사성으로 물질간 계면의 안정성이 달라지며 (2) 물질간이 아니더라도 노출 계면의 방향이 내구성 등에 영향을 미치고 (3) 전기적인 성질도 방향성에 따라 바뀐다 (4) 격자 구조에 따른 defect 이 여러가지 있다. 라는 정도를 알고 있으면 될 것 같다 B. 밴드 다이어그램 : (1) 에너지 준위가 겹쳐 가전자/전도대로 나뉜 밴드구조를 만든다 (2) 밴드 구조와 페르미 준위에 따라 캐리어 농도가 결정된다 (3) doping 으로 페르미 준위가 변한다 (4) K-diagram 으로 유효질량과, 광소자와 연관된 천이특성이 결정된다 C. 캐리어 거동 : (1) 캐리어는 농도.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 1. 16.
[ 정리글 ] 반도체 물성 아카이빙 밴드갭 및 상대 유효질량, 유전율 정보 주요 화합물 반도체 roon temp property 밴드갭 타입과 wavelength, wavelength 는 수광/발광 특성에 활용된다 SiC 는 종류가 주로 쓰이는 것만 3가지가 있는데 아래 링크에서 특성을 확인할 수 있다 https://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/SiC/bandstr.html NSM Archive - Silicon Carbide (SiC) - Band structure SiC, 3C, 15R, 21R, 2H, 4H, 6H, 8H. Excitonic energy gap vs. temperature Choyke(1969) www.ioffe.ru 표 형태로 정리된 링크도 참고할 수 있다 https://www.iue.tuw.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 1. 13.
전하 캐리어 역학 : 과잉 캐리어 지금까지 반도체 내 캐리어 거동 등의 특성을 논의할 때는, 암묵적으로 열평형 상태를 가정하였다. 그러나 만약 평형 상태의 반도체에 외부에서 캐리어가 주입되거나, 외부 광원 등에 의해 반도체의 열평형이 깨지는 상황에서는 다른 방식으로 해석해야 한다. 이 과정에서 중요한 것이 캐리어의 생성과 소멸이다. 생성과 소멸은 항상 쌍으로 진행되며, 열평형 상태에서는 생성률과 소멸률이 같다. 과잉 캐리어가 존재할 때는 좌측과 같이 표현하며, 시간에 대한 함수이다. 과잉 전자농도(=정공농도) 의 순 변화율을 위와 같은 식으로 나타낼 수 있다. 앞 항은 열평형 상태의 생성률, 뒷 항은 소멸률이라고 보면 되며, 평형상태에서 두 항이 소거되어야 하니 같은 계수가 붙는다. 그러나 생성률은 언제나 일정하며 Intrinsic el.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 1. 13.
Python Basic Syntax (2) 조건문과 입출력 구문기능구문기능x x 가 y 보다 작다A and BA 와 B 모두 참이여야 참x > yx 가 y 보다 크다A or BA 혹은 B가 참이면 참x == yx 와 y 가 같다not AA 가 거짓이면 참x != yx와 y가 같지 않다 x in (list, tuple, str)list등에 x 포함되면 참x >= yx가 y 보다 크거나 같다 x not in (list, tuple, str)list 등에 x가 없으면 참- if 구문 if 문은 조건문으로, 조건에 따른 분기를 구현할 때 쓰인다if : # 조건을 만족하는지 점검 여부 ... elif : # 윗 단에 if/elif 조건을 만족하지 않을 경우, 추가 조건 검사 ... else : # 어떤 조건도 만족하지 않.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 1. 13.
전하 캐리어 역학 : mobility 반도체 내에서 전하의 이동도는 소자 특성에 중요한 영향을 미치는 변수이다. 소자가 turn on 되었을 때, 소자의 면적 등은 대부분 레이아웃 수준에서 정해지며 log scale 로 변화시키기 힘들기에 전류 특성은 doping 과 기본적인 mobility 값으로 정해지는 경우가 많다. 표에서 대략적으로 물질별 mobility 값을 보고, 소자의 특성을 짐작해볼 수 있다. (물론 이상적으로 높은 mobility 가 좋을 뿐, 다양한 조건 -특히 공정상의 한계로 높은 mobility 값을 사용하진 않는다. 표는 화합물 반도체의 빈도 순으로 나열) 그러나 mobility 는 안타깝게도 단일 상수로만 해석하기 힘들다. 이번에는 mobility 에 영향을 미치는 다양한 특성과, 측정에 쓰이는 Hall effect.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 1. 13.
Python Basic Syntax (1) 자료형 이 페이지에서는 파이썬의 특성/ 구현 맥락 등을 다루지 않는다. 참조 및 프로그래밍이 아닌 코딩 정보 정리용으로, 축약적으로 정보를 정리하고 해석하는 데 방점을 맞춘다. 정수형(Integer) / 실수형 (Float) 로 나뉘며 자료형에 맞는 연산을 취할 수 있다 연산자 +,-.*,/ ** % / 기능 사칙연산 제곱(지수) 나머지 반환 몫 반환 연결 및 곱하기, 인덱싱 및 슬라이싱으로 문자열 일부 불러오기, formating 등의 기능을 갖춘 자료형이다. - 문자열 연산 1) 선언 작은 따옴표나 큰따옴표를 활용하여 선언. 3개를 연속으로 쓰는 방식으로도 선언할 수 있다 큰따옴표 안에 작은따옴표나, 작은따옴표 안에 큰따옴표는 문자열에 포함되어 출력된다 2) 연산 Con.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 1. 12.
전하 캐리어 역학 : Carrier Transport 이전 포스트에서 평형 상태 반도체에서 캐리어가 어떻게 형성되는지 알아보았다. 그렇다면 이렇게 모인 캐리어들이 전기장 등에 어떻게 반응하여 어떤 거동을 보일까? 캐리어의 전송 현상을 이해하여야, 우리의 최종 목표인 반도체의 전류-전압 특성을 이해할 수 있다. 반도체 내 전류의 종류 반도체 내에서 흐르는 전류는, 전계에 의하여 캐리어가 집단적으로 움직이는 Drift 전류 (격자와 충돌로 전계의 힘을 그대로 받아 움직이는 것과 다른 거동을 보이기에 drift 라고 한다)와, 공간 내 캐리어의 농도차에 의해 발생하는 Diffusion 전류로 나뉜다. 최종 전류식은 위와 같다. 유도 전에 상수를 뜯어보면, 전기장, 전하량, 입자 수(혹은 그 공간 변화량) 등 대부분 파악할 수 있는 수치이지만 처음 보는 mu 와 .. 공감수 0 댓글수 0 2023. 1. 12.
전하 캐리어 역학 : 진성 반도체와 도핑 도체는 '전하의 바다' 라고 불리기도 한다. 그만큼 수많은 자유전자가 전하 수송에 관여한다. 부도체는 당연히 이런 전하 수송자가 거의 없다시피 한다. 반도체가 온도에 따라 전도특성이 극적으로 변할 수 있는 이유는, 도체나 부도체와 다르게 반도체에선 이 전하 수송자의 수가 극적으로 변할 수 있기 때문이다. 그렇다면 이런 캐리어는 어떤 원리로 형성되어서 전류에 기여할까? 열평형상태의 Carrier Concentration 밴드이론에서 보았듯이, 전하의 수는 가전자대의 Denstity of State 에 Fermi distribution function 을 곱한 것이다. 전자와 정공을 나누면 중심에서 벗어난 부분에서, 페르미 확률분포는 볼츠만 근사로 처리될 수 있다. 이를 통해 위 유도과정으로 열평형 상태의 .. 공감수 0 댓글수 0 2023. 1. 11.
고체의 결정구조 : Bravais 격자 에너지 밴드 이론과 Kronig-Penny model 을 통해 주기적인 격자 내에서 어떻게 캐리어들이 포진해있는지 알 수 있었다. 그러나 이 모델들 역시 격자구조에 의존하고, 전기적 특성이 우수하더라도 반도체 구조를 구성할 때는 꼭 격자의 물리적 특성을 고려하여야 한다. 결정의 격자 구조 3차원 공간에는 Bravais lattice 라 불리는 14개 종류의 결정구조가 존재할 수 있다. P는 꼭지점에만 격자가 존재하는 것, I 는 정중앙에도 lattice point 가 위치하는것, F는 face-centered 를 의미하며 6면에 lattice point 가 존재하고 C는 coner 과 마주보는 2개 면의 중앙에만 위치한다. 그러나 이보다는 개별적인 지칭이 더 많이 쓰일 가능성이 높다. 다이아몬드는 Cub.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 1. 11.
고체의 결정구조 : E-k diagram 같은 에너지 밴드 내의 전자라고 해서 모두 같은 특성을 갖는 것은 아니다. 에너지 밴드 안에서도 다양한 운동량과 에너지를 갖는 전자들이 포진해 있고, 운동량과 에너지의 관계는 격자 구조에 의존하는데 이는 또 다시 방향성에 의존한다. 에너지 밴드 구조를 수학적으로 좀더 섬세하게 풀어낸 것이 kronig-penny model 이다 좌측과 같은 원자 모형에서, 붙어있는원자 사이사이 전자가 존재할 수 없는 공간들이 보인다.(원자 모형에서 단순히 보어 반경을 생각하면 편하다) 좌측 모형을 공간과 에너지에 대한 그래프로 단순화시키면, 금지 에너지 공간은 직사각형이 아닌 뒤집어 놓은 U 형태를 띄지만, 이를 펄스 형태로 단순화시켜 수학적으로 해석한 것이 Kronig-penny model 이다. 단순화된 모델에서, 양.. 공감수 0 댓글수 0 2023. 1. 10.
고체의 결정구조 : 에너지 밴드 반도체의 정의를 말하라고 하면 일반적으로 도체나 부도체의 중간에 있는 물질이라는, 고등 교육과정에서 배운 이야기가 먼저 떠오르실 겁니다. 그러나 이러한 애매모호한 정의는, 700조원 규모의 산업을 세우는 토대로써는, 약간 부실하게 느껴집니다. 사실 우리는 반도체를 실생활에서 과학적 정의만으로 사용하지 않고, 정말 규소와 같은 반도체로 분류되는 물질부터 패키징이 완료된 반도체 칩까지 모두 반도체라고 부르고 있습니다. 자연스레 사람마다 어떤 관점으로 반도체를 보는지에 따라 정의가 다양하게 나뉘겠지만, 이 블로그에서는 먼저 반도체 물성의 관점에서, 기초부터 반도체를 이해해 나가고자 합니다. 반도체 공학도로써, 물성적 관점에서 반도체를 가장 잘 설명하는 것은 "온도에 따라 전도도 특성이 극도로 바뀌는 물질" 이.. 공감수 0 댓글수 0 2022. 7. 9.

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