20세기 중반에 출현한 반도체 기술은 물리, 화학, 수학 등의 자연과학 분야와 화학공학, 전기전자, 기계, 통신, 나노, 환경 등의 공학 분야의 발전에 지대한 영향을 미쳐왔다. 현대의 첨단 반도체 응용기술은 이들 학문이 서로 어우러지는 일종의 융합기술로 발전하고 있다.

1장 결정과 반도체 물성의 기초

결정과 반도체 물성들을 개괄적으로 설명하고, 반도체에서 이용하는 다양한 결정고체의 원자 배열과 결정학적 용어들을 살펴본다. 또한, 초크랄스키 성장법, 브리지만 성장법 및 에피택시 성장법 등의 반도체 결정성장법들을 알아본다. 마지막으로 양자역학 접근을 위한 실험적 관측과 보어 모델, 하이젠베르크의 불확정성 원리 및 슈뢰딩거의 파동방정식 등을 설명한다.

2장 에너지 밴드와 반도체 캐리어

고체를 형성하는 결합력과 에너지 밴드의 기초에 대하여 살펴보고, 이를 통해 반도체에서의 전자천이를 이해한다. 또한, 페르미-디랙 분포함수를 이용하여 캐리어 농도를 계산하고, 열적평형상태에서의 반도체 캐리어 농도와 페르미 준위 사이의 상관관게를 살펴본다. 그리고 전도도, 이동도의 개념을 정성적, 정량적으로 고찰하고 이들의 의존성을 이해한다. 마지막으로 전계 및 자계가 인가된 반도체에서의 캐리어 거동과 강전계 및 강자계가 인가될 때 발생할 수 있는 건효과와 홀효과를 살펴본다.

3장 광자와 과잉캐리어

광흡수에 의한 반도체 내 전자-정공쌍의 생성과 이로 인한 과잉캐리어가 광루미네선스로 나타나거나 광전도도를 변화시키는 원리를 알아보고, 반도체가 과도상태, 정상상태일 때의 캐리어의 거동에 대하여 살펴본다. 또한, 반도체에서의 재결합 메커니즘과 정상상태에서의 의사페르미 준위에 대한 개념을 이해한다. 최종적으로는 반도체 내의 과잉캐리어의 움직임, 즉 확산과 표동에 의한 전류의 생성과 이러한 메커니즘에 의해 반도체가 다양한 광전자소자 및 집적소자에 적용되는 것을 이해한다.

4장 반도체 접합 및 소자 제조 공정

반도체 접합 제조의 핵심 공정 기술인 확산 공정과 이온주입 공정을 설명하고, 제작된 pn 접합에서의 불순물 농도구배에 대하여 살펴본다. 또한, 리소그래피, 식각, 금속화를 통한 반도체 소자의 제조 공정을 개괄적으로 알아본다. 특히, 반도체 공정에서 집적도를 결정하는 핵심 공정 기술인 리소그래피 기술과 식각 기술에 대하여 자세히 살펴본다. 그리고 포토리소그래피에서 중요한 광학 문제, 현재 리소그래피 기술을 대표하는 포토리소그래피 기술과 차세대 리소그래피 기술로 거론되고 있는 몇몇 기술들을 설명한다.

5장 반도체 접합의 물성

반도체 접합에 대한 여러 가지 물성에 대하여 살펴본다. 먼저 열적평형상태의 접합을 다루는 데 기초가 되는 무성을 알아보고, 이를 바탕으로 정상상태에 놓인 반도체 접합 즉, 순방향과 역방향 바이어스에서의 동작 및 임계 역방향 바이어스에서의 반도체 접합의 항복현상을 정성적, 정량적으로 고찰한다. 또한, 교번전계를 포함하는 과도상태에서의 반도체 접합의 특성도 고찰하고, 이와 같은 단순한 조건에서의 반도체 접합 이론을 실제 문제를 다룰 때 부가적으로 고려해야 하는 부분들을 설명한다. 마지막으로 금속-반도체 접합과 반도체 이종접합을 설명한다.

6장 접합다이오드와 트랜지스터 물성

5장에서 배운 pn 접합 이론을 기초로 정류기, 스위치, 제너다이오드, 버랙터를 포함하는 일반 pn 접합다이오드의 물성을 살펴본다. 터널다이오드는 고밀도 도핑으로 인해 페르미 준위가 전도대 및 가전자대 내에 존재한느 축퇴반도체의 pn 접합을 이용하는데, 이 장에서는 에너지 밴드 다이어그램을 이용하여 터널 다이오드의 전류-전압 특성을 살펴보고자 한다. 그리고 쌍극성 접합 트랜지스터와 전계효과 트랜지스터의 물성 및 동작 특성을 설명한다.

7장 광전자 및 특수 반도체 소자

6장에서 전기전자소자로 쓰이는 일반 반도체 접합소자(pn 접합다이오드, BJT 및 FET)를 살펴 보았는데, 반도체는 전기신호(에너지)를 광신호(에너지)로 변환시키거나 반대로 광을 흡수하여 전기로 변환시키는 광전소자로도 응용된다. 이 장에서는 반도체 광전소자로서 광검출기와 태양전지, 발광다이오드 및 레이저 다이오드 등의 동작 원리와 특성을 살펴본다. 일부 반도체는 전기와 열 사이의 변환 효과인 열전효과를 나타내는 열전 재료로 이용된다. 온도, 압력, 전압 등에 따라 변하는 저항 특성을 이용한 저항소자, 다중 pn 접합을 이용한 전력스위칭 소자 등 특수한 목적으로 다양하게 이용될 수 있다. 이 절에서는 이러한 특수 반도체 소자에 대하여 살펴본다.