서울대 인공지능 반도체 대학원 개원식 및 전자의 양자상태, Fermi Level, 반도체 캐패시터 등에 대한 고찰

 

반도체 대학원

서울대 인공지능 반도체 대학원 개원식

서울대 인공지능 반도체 대학원 개원식에서는 기념촬영이 있었습니다. 14일 서울대에서 열린 행사에서 서울대 관계자와 대학원 학생들이 함께 기념촬영을 했습니다.

n-type에서 p-type으로 전자와 hole이 확산되면서, depletion region이 생깁니다. Space charge region은 양의 공간전하와 음의 공간전하로 구성됩니다.

저항은 온도에 따라 변하는데, 반도체에서는 온도가 오르면 저항이 감소하고, 금속에서는 증가합니다.

금속을 가열하면 전자의 이동을 방해하여 저항이 증가하지만, Si wafer를 가열하면 전자의 이동이 촉진됩니다.

물질	온도에 따른 저항변화
반도체	온도 상승 -> 저항 감소
금속	온도 상승 -> 저항 증가

서울대학교 인공지능 반도체 대학원 개원식에서의 기념촬영 현장은 주요 용어들을 강조하면서 특별한 분위기를 조성해주었습니다. 전압을 가하면 MOS 구조에서금속의 에너지 level이 변동하게 됩니다. 이때, 금속의 Fermi level인 \(\text{E}_\text{Fm}\)은 반도체의 Fermi level 위치보다 상승하거나 하강합니다. 이러한 과정에서 Oxide의 conduction band에 tilt가 발생하게 됩니다. 농도가 높은 Doping은 이불순물 주위에서 valance band의 전자를 받아들이므로 Fermi level은 낮아지게 됩니다. 이렇게 여러 요소들이 상호작용하는 과정 속에서 온도, 불순물의 농도, 그리고 전압의 변화가 반도체 속 전자의 이동에 어떤 영향을 미치는지를 자세히 살펴보았습니다. 요약:

1. 전압의 변화로 금속의 Fermi level과 반도체의 Fermi level 위치가 상대적으로 변동
2. 농도가 높아지면 mobility 감소 및 Oxide의 conduction band에 tilt 발생
3. 온도가 높아지면 전자의 이동이 방해받아 mobility 감소, 낮아지면 캐리어의 열적 운동이 낮아져 mobility 감소
4. 에너지 level 변화 없이 Fermi level은 페르미 에너지를 중심으로 대칭적인 분포를 나타냄
5. 억셉터는 valance band 주위에 불순물을 만들어 페르미 준위를 낮춤

전자의 양자상태와 Fermi Level

반도체 물성을 이해하기 위해선,전자의 양자수에 대한 이해가 중요합니다. 상호작용이 있는 시스템에서 두 전자는 같은 짝을 가질 수 없으며, 스핀만이 반대일 뿐입니다. Fermi Level은 전자가 발견될 확률이 1/2인 에너지 레벨을 가리킵니다. 도너가 주입되면 상승하고,억셉터가 주입되면 하강합니다. Metal은 에너지 밴드들이 겹치거나 conduction band에 부분적으로 충만되어 있어,전자들이 자유롭게 이동할 수 있습니다. Insulator는 band gap이 크기 때문에 valance band에서 conduction band로의 이동이 어렵습니다, 따라서 전류가 흐르지 않습니다. 반도체에서는 conduction band에 있는 상태밀도는 전자 에너지에 따라 증가하고, valance band에서는 감소합니다. 통합된 정보를 테이블로 정리하면 다음과 같습니다:

물성	반도체	Metal	Insulator
전자 상태	상태 밀도는 에너지에 따라 증가 또는 감소	Conduction band가 자유롭게 이동 가능	밴드 갭이 크고 전류 흐름이 어려움
Fermi Level	도너/억셉터 주입에 따라 상승 또는 하강	-	-

반도체 물성을 이해하는 것은 쉬운 과정이 아닙니다. 전이(transition)가 어렵기 때문에 초보자에게는 어려울 수 있습니다. Semiconductor의 경우, 에너지 밴드가 절연체와 유사하게 구조화되어 있지만 밴드 갭의 크기가 다릅니다. 이로 인해 반도체에서는 valance band로부터 전도에 기여할 수 있는 전자의 수가 열적이나 광학적 에너지에 의해 증가할 수 있습니다. 0K에서는 실리콘이 절연체의 특성을 갖고 있으며, 에너지 밴드 갭이 크기 때문에 높은 온도에서도 작동이 가능하고 가격이 낮습니다. 또한 반도체에서 Thermal oxidation으로 insulator가 되는 등 가공이 쉽고 Intrinsic 저항이 큽니다. 렌즈를 통해 들어오는 빛을 전기적인 영상 신호로 변환해주는 것이 바로 반도체의 역할입니다. 멀티게이트 디바이스인 MOSFET는 게이트가 2, 3, 4면에 위치하거나 채널을 감싸는 형태로 더블 게이트 구조를 형성합니다. SRAM은 6개의 트랜지스터로 이루어져 있어 DRAM보다 더 빠르게 데이터를 읽고 쓸 수 있습니다. 한편, DRAM은 하나의 트랜지스터와 캐패시터로 구성되어 있으며, 저렴하게 생산되기 때문에 대용량 메모리에 적합합니다. 반도체 물성을 이해하는 것은 중요하며 반도체, MOSFET, SRAM, DRAM과 같은 키워드들이 중요합니다. 요약:

1. 반도체: 전류를 제어하고 전기적 신호를 전환하는 역할을 합니다.
2. MOSFET: 멀티게이트 디바이스로 다양한 형태의 게이트를 가지고 있습니다.
3. SRAM: 6개의 트랜지스터로 구성되어 빠르게 데이터를 처리할 수 있습니다.
4. DRAM: 대용량 메모리에 사용되는 저렴한 구조로 이루어져 있습니다.

반도체	MOSFET	SRAM	DRAM
전류 제어, 전기적 신호 전환	다양한 게이트 형태, 멀티게이트	빠른 데이터 처리	대용량 메모리에 적합

반도체 캐패시터

• 캐피시터는 금속전극과 유전체로 구성됨
• MOSCAP은 반도체와 금속 사이 절연체 삽입

구성 요소	역할
Gate 산화막	게이트 전압에 따라 캐리어 양 결정
Gate	전극 전압에 따라 소스와 드레인 전류량 조절
Drain	소스에서 캐리어가 채널을 통해 방출

에너지 밴드 구조를 재구성하고 반도체 소자의 작동 원리를 개선하기 위해 전기진폭효과를 활용하는 반도체 소자의 구성 요소는 게이트 전극과 게이트 유전막으로 이루어져 있습니다. 게이트 전극에 가해지는 전압의 크기에 따라 게이트 유전막에 형성되는 전계는 반도체의 상태를 조절할 수 있습니다. 그로인해 채널의 형성 및 크기를 조절하고, 소스와 드레인 사이에 전류가 흘러갈 수 있게 됩니다. 반도체 소자의 핵심적인 구성 요소인 게이트 유전막은 물에 잘 녹지 않으면서도 산화물인 SiO2로 구성되어 있어 좋은 절연체 및 확산방지층 역할을 합니다. 또한, 이 소자의 공정과정은 비교적 간단하며 효율적으로 진행할 수 있어 생산성을 높일 수 있습니다. 이러한 반도체 소자의 구성 요소를 효율적으로 설명하고자 한다면, 다음과 같은

목록을 활용할 수 있습니다:
1. 게이트 전극: 전압을 통해 반도체의 상태 조절
2. 게이트 유전막: 산화물인 SiO2로 물에 잘 녹지 않으면서 절연 및 확산 방지
3. 게이트-드레인-소스 구조: 전류 흐름을 제어하고 채널 형성
이와 같은 정리된 정보는 반도체 소자 구성 요소에 대한 이해를 돕고 설명을 명확하게 전달할 수 있습니다.

구성 요소	특징
게이트 전극	전압을 통한 상태 조절
게이트 유전막	물에 잘 녹지 않는 SiO2 소재
게이트-드레인-소스 구조	전류 흐름 관리 및 채널 형성

컨덕션 밴드와 밸런스 밴드

전해저항이 일반적으로 1.1eV이며, 이로 인해 p형 반도체와 n형 반도체가 결합되어 전극이 연결됩니다. P형 반도체는 전하 운반체가 전자이고, N형 반도체는 전하 운반체가 전자입니다. 이러한 속성들이 컨덕션 밴드와 밸런스 밴드에 중요한 영향을 미칩니다.

반도체 대학원 개념 이해하기

다음으로,

carrier가 hole이다

는 중요한 개념을 살펴보겠습니다. Carrier란 전자나 양전자 같은 전하를 운반하는 입자를 의미합니다. 반도체에서는 두 가지 종류의 carrier가 있습니다: 전자와 hole. 일반적으로 전자는 부정 전하를 갖는데 반해, hole은 양전하를 나타냅니다. 반도체 내에서 carrier의 이동은 전류의 흐름을 가능하게 합니다. 또한,

노턴 정리

는 전기회로 이론에서 중요한 개념 중 하나입니다. 이 정리는 두개의 단자를 지닌 전압원, 전류원, 저항의 어떠한 조합이라도 일상적인 전류원 I와 병렬저항 R로 변환하여 전기정 등가를 설명합니다. 이를 통해 전기회로의 복잡성을 간단하게 모델링할 수 있습니다. 마지막으로,

유전체의 물질상수

는 외부 자기장에 반응하여 만드는 편극의 크기를 나타내는 중요한 요소입니다. 이는 유전체의 자기적 특성을 이해하고 재료의 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 개념들을 숙지하는 것은 반도체 기술 및 전기공학 분야에서 깊이있는 이해를 돕고, 향후 연구 및 현업에서의 실무에 큰 도움이 될 것입니다.
1. Carrier의 개념 및 역할
2. 노턴 정리의 의미
3. 유전체의 물질상수의 중요성

 

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