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고체전자물리개론
2016학년도 1학기
담당교수 : 김태환 (소속: 융합전자공학부)
강의시간 : 월 10:30-12:00 (H5-0501)
수 16:00-17:30 (H05-0203)
Office : 공업센터별관 503-1
Office hour : 화요일 10:00 ~ 12:00
수업조교 : 김기태([email protected], Tel : 2220-0354, 010-8288-4603)
E-mail : [email protected]
교재 및 수업안내
Main text :
Solid State Electronic Devices – Seventh edition
Ben G. Streetman and Sanjay Banerjee (Prentice-Hall International
Editions)
참고문헌
Introduction to solid state physics
Kittel, Charles (Wiley)
Semiconductor physics and devices : basic principles
Neamen, Donald A (McGraw-Hill)
An introduction to Semiconductor devices
Neamen, Donald A (McGraw-Hill)
Introduction
수업목표
결정체의 성장과 반도체 결정성장에 대한 이해
원자와 전자에 대한 이해 및 양자역학의 이해
에너지 대역과 반도체에서의 전하 캐리어에 대한 이해
반도체의 과잉 캐리어에 대한 이해
p-n 접합에 대한 이해
고체전자물리개론의 반도체 소자에 응용에 대한 고찰
Introduction
교과목 개요
고체전자물리학에 대한 고찰은 반도체 소자의 유용한 응용
가능성 때문에 대단히 흥미를 가짐
결정체의 성장과 반도체 결정성장을 논의
원자와 전자에 대한 양자역학적 접근을 습득하고 에너지 대
역과 반도체에서의 전하 캐리어에 대하여 논의
반도체에서의 과잉 캐리어를 논의
p-n 접합과 금속-반도체 접합의 특성을 논의
고체전자물리개론에서 습득한 지식을 바탕으로 반도체 소
자에 응용을 논의
Introduction
강의 내용 I
1주 반도체 재료와 결정격자
2주 반도체 결정의 성장과 에피택셜 성장
3주 물리학적 모형, 광전효과 및 원자 분광
4주 Bohr 의 모형, 양자역학 및 원자구조
5주 고체에서의 에너지 대역 및 반도체의 전하 캐리어
6주 캐리어 농도와 전계 및 자계에서의 캐리어의 표동
7주 평형에서의 Fermi 준위의 일정성
8주 중간고사
Introduction
강의 내용 II
9주 광학적 흡수와 발광
10주 캐리어의 수명과 광전도도 및 캐리어의 확산
11주 p-n 접합과 평형상태
12주 순방향과 역방향 바이어스된 접합 및 역방향 바이어스
항복
13주 과도 및 교류상태 및 캐리어 주입에 주는 접촉준위의
영향
14주 금속-반도체 접합 및 이종접합
15주 고체전자물리개론의 반도체 소자에 응용
16주 기말고사
Introduction
고체전자물리개론에 앞서서
기초학문과 공학의 응용
기술의 발전 방향
고체전자물리개론의 응용
메모리 소자
유비쿼터스용 제품
디스플레이 소자
태양전지
Introduction
기초과학을 응용한 IT 기기들
프린터
스캐너
CRT 모니터
웹페이지
디지털 카메라
빔프로젝터
Introduction
LCD 모니터`
기초과학을 응용한 휴대용 IT 기기들
Introduction
기초과학을 응용한 양방향 IT 기기들
양방향 통신이 가능한
정보기기를 이용하는 모습
어린이들이
신기한 모습으로
터치패널을 보고 있음
Introduction
기초과학과 응용공학의 융합
기초과학과 응용공학 융합의 유형
학문과 기술간의 융합
기술과의 융합
기술과 산업과의 융합
친환경적인
기구/산업
유형 1
NT BT IT
유형 2
자연과학
응용공학
의공학
학문
Introduction
유형 3
기술
산업
기술 융합의 시대
•
•
•
•
•
•
•
•
나노신소재
나노구조체
나노공정
정보저장
나노바이오센서
인공조직
약물전달
친생체물질
NT
•
•
•
•
나노센서
나노일렉트로닉스
나노포토닉스
양자컴퓨터
•
•
•
•
컴퓨터(H/W, S/W)
반도체
유무선통신
정보보호
융 합
•
•
•
•
유전공학
바이오장기
분자생물학
신약
Introduction
BT
•
•
•
•
IT
바이오인포메틱스
생체정보인터페이스
생체정보보호
바이오컴퓨터
융합결과로 창출된 유비쿼터스
Introduction
가정용 유비쿼터스 세상
Introduction
개인용 유비쿼터스 세상
Introduction
이동수단용 유비쿼터스 세상
Introduction
환경친화적 자연을 위한 기술의 Trend
저소비전력
고효율
에너지재생
환경 친화
저탄소배출
Introduction
무공해물질
환경친화성을 바탕으로 제작된 기기들
환경친화적인 소재를
사용한 휴대폰
환경친화적인 소재를
사용한 하드디스크
Introduction
환경친화성을 바탕으로 제작된 기기들
환경친화적인
하이브리드 자동차
환경친화적인 저전력
디스플레이 (LCD)
Introduction
고체전자물리개론의 응용
반도체 소자
메모리 소자
발광 소자
태양 전지
반도체 소자
반도체와 실리콘(Si)
반도체 트랜지스터(Transistor)
반도체소자의 응용분야
반도체란 무엇인가
• 자유전자가 있어서
• 전기를 잘 통할 수 있는 물질
• 예) 금, 은, 구리 등
금 속
절연체
반도체
• 도체와 부도체의 중간적 성격
• 전기가 통할수도 안 통할 수도 있는 물질
• 예) 실리콘, 게르마늄 등
Introduction
• 자유전자가 없어서
• 전기를 잘 통할 수 없는 물질
• 예) 나무, 플라스틱, 유리 등
반도체를 이용하여 다양한
전자 소자를 만들 수 있다!!!
실리콘(Si) 반도체
Introduction
실리콘 반도체
불순물을 첨가하여 반도체의 성질을 바꿀 수 있다.
Sb를 첨가한 n-형 실리콘 반도체
(전자의 농도가 더 높다)
B를 첨가한 p-형 실리콘 반도체
(정공의 농도가 더 높다)
n-형과 p-형 반도체를 이용하여 다이오드, 트랜지스터 등과 같
은 전자 소자를 만들 수 있고 많은 전자 제품에 응용된다
Introduction
반도체 트랜지스터
Gate는 소자의 스위치 역할
Drain으로 전류의 양을 조절
Gate
SiO2
Gate
SiO2
Drain
Source
P-Si SUBSTRATE
Source
2-D CHANNEL
Drain
P-Si SUBSTRATE
트랜지스터는 메모리, 디스플레이 및 전지의 핵심 소자이다.
Introduction
반도체의 응용 제품 분야
Introduction
메모리 소자
양자역학의 세계
D램 (DRAM)
플래시 메모리 (Flash Memory)
플렉시블 메모리 (Flexible Memory)
차세대 메모리 소자
고전 역학과 양자 역학
나노 크기의
작은 세계
고전 역학
양자 역학
(축구공이 벽을 통과할 수 없다)
(전자는 벽을 통과할 수 있다)
Introduction
DRAM의 기억 원리
전자
-
+
+
+
+
++++
- - - - - -
충전
-
축전기
전원차단
방전
 정보 저장
 정보 소실
 정보 유지를 위한 재충전
 휘발성 메모리
축전기에 전하가 충전된다
Dynamic RAM
Introduction
DRAM 소자
축전기
트랜지스터
DRAM 웨이퍼
DRAM 단면 전자현미경 사진
Introduction
DRAM 소자
DRAM 패키지
DRAM 모듈
Introduction
플래시 메모리의 기억 원리
전자`
터널링
플로팅
게이트
 정보 저장
정보유지
전원차단
 비휘발성 메모리
일괄적인 소거
-----
Flash
Introduction
Memory
플래시 메모리
플래시 메모리
전자현미경 사진
플로팅 게이트
(스위치와 축전기 역할을 같이한다)
NOR 플래시 메모리
Introduction
NAND 플래시 메모리
플래시 메모리 제품
플래시 메모리 카드
플래시 메모리 SSD
USB 플래시 메모리
Introduction
유연성을 가지는 메모리
유연성을 가지는
메모리 소자
Introduction
상용화된 반도체 메모리 소자
Cap.에 데이터를 저장
Poly-Si.에 데이터를 저장
Gate
SiO2
Capacitor
Gate
SiO2
Source
Introduction
2-D CHANNEL
Poly Silicon
SiO2
Drain
Source
2-D CHANNEL
Drain
P-Si SUBSTRATE
P-Si SUBSTRATE
D-RAM 소자
Flash Memory 소자
차세대 메모리 및 반도체 소자
Nano particle들이 전하를 트랩한다.
3차원적 채널 형성으로 전류특성이 향상.
Gate
Nano-Crystals
Insulator
Source
Introduction
2-D CHANNEL
Drain
Source
Gate
Insulator
P-Si SUBSTRATE
P-Si SUBSTRATE
NFGM 소자
FIN-FET 소자
Drain
발 광 소 자
발광 소자의 원리
발광 다이오드 (LED)
유기 발광 다이오드 (OLED)
디스플레이 장치
발광 소자의 원리
발 광
에너지
• 광자
• 전기장
• 전자빔
가시광선
형광체
에너지 변환물질
발광원리를 이용하여
다양한 용도의 광소자와
디스플레이 장치들을
만들 수 있다
Introduction
발광 다이오드 (LED)
0.01A
1A
100A
Gamma rays
X rays
UV
1 mm
Visible
100 mm
Infrared
광통신 대역
Introduction
1 cm
Microwaves Radio
1m
LED 조명과 디스플레이
건물 조명으로 사용되는 LED
Introduction
LCD TV의 광원으로 이용되는 LED
OLED의 발광 원리
전류
정공/전자 주입
정공/전자 재결합
가시광 방출
전원
음극
전자수송층
발광층
정공 수송층
양극
유리 기판
Introduction
OLED 조명
OLED는 형광등을 대체하여 새로운 조명 광원으로 이용될 수 있다.
형광등에 사용되는 수은은 인체에 해로워 환경 규제의 대상이 된다.
Introduction
OLED 디스플레이
OLED 시계
OLED 휴대폰
OLED TV
Introduction
유연성을 가지는 OLED
OLED는 유연한 기판 위에서 다양한
형태로 변형이 가능하여 전자종이나
휴대용 디스플레이에 응용 가능
Introduction
디스플레이란 무엇인가
디스플레이란?
화면에 문자와 그림으로 시각적으로 표시하는 장치
인간의 오감 중 시각으로 받아들이는 정보가 가장 많다
정 보
디스플레이
인터페이스
Introduction
인 간
인터페이스
현재 사용하고 있는 디스플레이의 종류
Introduction
LCD
PDP
FED
OLED
태 양 전 지
태양 전지의 원리
태양 전지의 필요성
태양 전지의 활용
태양 전지란 무엇인가
태양 전지란?
태양광을 받아서 전력을 발생시키는 장치
기초과학
태양전지가 빛을 받으면 전류가 흐르게 된다
Introduction
응용공학
태양 전지가 중요한 이유
태양 전지의 중요성
화석 연료의 소모량이 급증하고 그 매장량이 한계에 치닫게 됨에 따라 새로
운 대체 에너지의 필요성이 급증.
청정 에너지이면서 고갈되지 않는 에너지원인 태양에너지를 사용한 태양전
지에 대한 관심이 고조.
화석연료
소모량 급증
Introduction
대체에너지 필요
태양에너지 이용
태양 전지의 활용
인공위성에 전력공급을
위한 태양전지 이용
Introduction
태양 전지를 이용한
가정용 발전기
전력 공급이 되지 않는 지역의
태양전지를 이용한
가정용 발전기
태양 전지의 활용
화성에서 태양전지 소자에서
공급되는 전력을 사용하여
작동하는 탐지기
Introduction
한 학기 동안
고체전자물리 개론에
대하여 같이
공부하기를 기대합니다.
Introduction