전기정보공학부: 반도체소자

1. 전공 소개

 

   전기정보공학부는 전기 현상과 관련된 거의 모든 분야를 망라하는, 범용성 넓은 학과입니다. 광학, 반도체소자, 회로 연구, 초전도 현상 연구, 전파 공학, 컴퓨터 하드웨어 설계, 인공지능, 전력시장 등의 연구 분야가 있습니다. 최근에는 인공 지능에 관심 있는 학생들이 많아졌지만 하드웨어 연구도 꾸준히 많은 관심을 받고 있는 분야입니다. 그중 반도체는 최근 지정학적인 영향으로 국가적인 관심이 모이고 있는 분야이므로 관심이 있는 학생들은 전기정보공학부에서 연구 역량을 키울 수 있을 것 같습니다. 반도체를 연구하려는 학생들이 본격적으로 처음 수강하는 과목은 3학년 2학기의 <반도체 소자>입니다. 반도체를 구성하는 가장 기본 단위인 소자 수준에서 재료, 물리적 특성과 전기적 현상을 이해하는 기초적인 강의입니다. 반도체 공학의 첫걸음을 떼는 입문 과목이라고 볼 수 있지만 교수님께서 항상 말씀하시는 것처럼 이 강좌만 온전히 습득해도 대학원에서 연구하는 데 필요한 지식과 물리적 현상에 대한 통찰력을 많이 형성할 수 있으므로 기초를 튼튼히 하는 것이 중요하겠습니다.

 

2. 수업 구성

 

   대부분의 대학 전공이 그렇듯이 담당하시는 교수님마다 다른 커리큘럼을 가지고 있습니다. 대략적으로 1~2학기에 걸쳐 다음과 같은 내용을 배운다고 보시면 될 것 같습니다. 제가 수강한 강좌의 강의계획서입니다.

1st week : Course introduction, semiconductor materials, Si structure, electrons and holes

2nd week : Energy-band model, band-gap energy, density of states, doping

3rd week : Thermal equilibrium, carrier distributions & concentrations, Fermi energy

4th week : Drift, diffusion, recombination & generation current 

5th week : Continuity equations, minority carrier diffusion equations, quasi-Fermi levels 

Mid-term Exam I

6th week : PN junction electrostatics & I-V characteristics

7th week : PN junction reverse-bias current, reverse-bias breakdown

8th week : Schottky junction electrostatics & I-V characteristics

9th week : MOS capacitor electrostatics

10th week : MOS capacitor C-V

Mid-term Exam II

11th week : MOSFET

12th week : MOSFET

13th week : MOSFET

14th week : MOSFET, BJT

15th week : BJT

Final Exam

[그림 1] 실리콘의 결정 구조

[그림 2] MOS(Metal-Oxide-Semiconductor) 구조의 밴드 다이어그램

 

   배우는 내용들이 아주 새로운 내용이라기보다는 일반 물리학에서 배우는 전자기학 파트를 응용한 내용이 많습니다. 따라서 전자기학의 기초를 학부 1~2학년에 튼튼하게 다지는 것이 개념을 학습하는 데 가장 큰 도움이 된다고 볼 수 있습니다. 실리콘 원자의 특성으로 시작해서, 실리콘 결정 구조의 전자 분포, 밴드갭 다이어그램, 반도체의 전자 이동 매커니즘, 반도체에서 가장 많이 쓰이는 MOSFET 소자까지 차근차근 바텀업(bottom-up) 방식으로 논리적인 접근을 합니다. 한 학기를 관통하는 키워드는 ‘밴드 다이어그램(band diagram)’입니다. 전자가 실리콘 결정 구조에서 가질 수 있는 에너지 레벨을 도식화한 것이 밴드 다이어그램입니다. 밴드 다이어그램을 기반으로 전자와 정공의 분포, 이동과 전기장과 전위차의 형성을 다루는 법을 익히는 강의입니다. 향후 반도체 분야의 실무에 쓰이는 탄탄한 기초를 쌓는다는 생각으로 흥미를 잃지 않고 학기를 보낸다면 어느새 큰 실력 향상이 있을 것입니다.

 

3. 수업 내용 및 과제

[그림 3] MOS 소자 시뮬레이션 

   실무에서는 매번 오랜 시간이 걸리는 소자 제작을 하지 못하므로 다양한 시뮬레이션 툴을 사용합니다. 프로젝트로는 시뮬레이션 툴을 사용해서 직접 이론으로만 배운 소자를 제작하고, 성능을 측정하는 과제를 수행합니다. 기말 프로젝트로는 종이를 사용해서 직접 MOSFET을 제작해 소개하는 영상을 촬영했는데, CMOS를 처음부터 만들어보는 경험이 생소하고 재미있었던 기억이 납니다. 물리 현상을 이론으로 이해하고 이것을 바탕으로 실제로 작동하는 소자를 시뮬레이션해볼 수 있습니다.

 

4. 응용분야

 

   반도체를 둘러싼 국가 간 경쟁이 안보의 위협으로까지 다가오는 시대이니만큼 관심이 나날이 높아지고 있습니다. 로직 디바이스(a.k.a. 비메모리 반도체, 시스템 반도체) 또는 메모리 반도체를 구성하는 가장 기본적인 소자는 한 개의 트랜지스터입니다. 이 트랜지스터가 수백억 개 모여 손바닥만한 휴대폰을 구동하는 칩이 됩니다. 따라서 가장 기본적인 소자인 트랜지스터에 대한 이해는 모든 반도체 분야 연구에 가장 기본적인 토대가 됩니다. 3D Flash, FinFET 등의 반도체 소자, 회로 연구, 디스플레이 소자 연구에 직접적으로 활용할 수 있는 다양한 지식과 과제를 배울 수 있습니다. 반도체 소자 및 회로 연구개발에 관심 있는 학생들은 대부분 반도체 소자 + 아날로그 전자회로 + 나노소자의 기초 강의를 통해 학부의 기초를 쌓고 대학원에 진학하고 있습니다. 소자와 더불어 소자를 응용한 회로를 이해하는 것도 반도체 연구자가 되는 데 필수적인 배경입니다.

 

5. 마무리

   반도체 분야를 연구하기 위해서 모든 학교의 전자공학과에서 필수적으로 배우는 과목입니다. 반도체 분야 연구와 취업에 관심이 조금이라도 있는 이공계 학생이라면 반도체 소자 강의를 수강함으로써 흥미를 점검하는 방향을 추천합니다. 고전물리학->전자기학->반도체 공학, 전자회로->나노소자 공학, 양자역학, 아날로그 전자회로로 이어지는 학부 공부 과정을 즐기셨다면 튼튼한 기초를 쌓은 것이라고 생각합니다. 여기에 가장 중요한, 나노 세계를 여행한다는 호기심과 국가 기반 산업을 이끌 것이라는 자긍심을 잃지 않는다면 훌륭한 반도체 엔지니어로 거듭날 수 있을 것 같습니다. 저도 전공 소개를 작성하면서 초심을 되새겼고 이런 마음가짐으로 열심히 학업과 연구에 임하려고 합니다.