반도체/디스플레이 전력반도체 모델링 기술 동향

화합물 반도체란 ★ 화합물 반도체란 III-V족 원소 조합 또는 Si기반 원소 조합으로 만들어진 반도체로 순수 실리콘(Si)기반 반도체와 달리 특수 목적형으로 만들어진 반도체를 의미 ★ III-V족 원소의 조합으로 만들어진 대표적인 반도체로 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN) 등이 있음 - 갈륨비소 반도체의 에너지 밴드 갭(1.52ev)은 실리콘 반도체의 에너지 밴드 갭(1.1eV)과 유사하지만 이동도 (8,500cm2/Vs)가 실리콘 반도체(1,500cm2/Vs)보다 높아 고속 응용 예에 실리콘을 대체하는 반도체임 - 질화갈륨 반도체는 에너지 밴드 갭(3.4eV)로 실리콘 반도체보다 월등히 높으며 이동도(2,000cm2/Vs)는 실리콘 반도체와 유사하여 고속 전력 소자를 필요로 하는 응용 예에서 실리콘 반도체를 대체 ★ Si기반 원소 조합으로 만들어진 대표적인 반도체로 실리콘게르마늄(SiGe), 탄화규소(SiC) 등이 있음 - 실리콘게르마늄 반도체의 에너지 밴드 갭(0.85ev)은 실리콘 반도체의 에너지 밴드 갭보다 낮고 이동도(4,300cm2/ Vs)가 실리콘 반도체보다 높아 저출력 고속 응용 예에 실리콘을 대체하는 반도체 임 - 탄화규소 반도체는 에너지 밴드 갭(3.23eV)로 실리콘 반도체보다 월등히 높으며 이동도(400~900cm2/Vs)는 실리콘 반도체보다 낮아 저속 전력 소자를 필요로 하는 응용 예에서 실리콘 반도체를 대체 전력 소자 ★ 전기에너지를 활용하기 위한 전력 변환용 회로들에 사용되는 소자와 무선 에너지를 생성하는 회로에 사용되는 소자가 전력 소자 임 - 에너지 변환회로는 전력변환(DC-AC, AC-DC) 인버터, 전력변압(DC-DC) 컨버터, 전력 분배 스위치 등의 회로 - 무선 에너지 생성회로는 전원생성(DC-RF) 회로와 정류(RF-DC) 등의 회로 ★ 전력 소자는 기능을 수행하는 전력반도체와 반도체를 보호하는 반도체 패키지로 이루어진 부품을 의미 - 전력반도체는 고성능 스위칭 특성을 필요로 하는 화합물 반도체와 고효율 에너지를 생성하는 화합물 반도체로써 SiC와 GaN 반도체가 시장을 주도 - 전력반도체 패키지는 반도체의 열 문제를 해결하는 방열 기술과 저 손실로 신호를 전달하는 전송 기술을 포함// 전력 소자 모델링 ★ 전력반도체 소자 모델링은 DC 동작영역 중심의 고출력 특성 분석의 에너지변환 소자 모델링과 DC와 RF 동작영역 특성을 모두 중요시 여기는 무선 에너지 생성 소자 모델링으로 나눌 수 있음 - 에너지 변환 소자의 경우 주로 높은 전류와 전압 조건하에서 스위치 동작을 하는 소자이기에 Turn on 저항, Turn off 특성 분석 등 DC 분석을 하고 항복전압 분석을 위한 소자의 필드 분석, Junction 온도 분석 등 신뢰성 관련 분석을 통해 소자 모델링을 위한 파라미터들을 추출 - 무선 에너지 생성 소자의 경우 정적전류(Static Current) 상황에서 높은 출력 파워와 잡음 등을 분석해야하는 소자이기에 DC 실험을 통해 I-V 특성을 모델링하고 AC 실험을 통해 Capacitance 등을 모델링 하며, Source Pull/ Load Pull을 통해 잡음과 전력 특성을 모델링 함 - Gate와 Drain에 Dynamic Pulse 신호를 인가하여 소자의 Charge Trapping 현상들도 모델링 함 ★ 전력반도체 패키지 모델링은 방열특성과 전송특성에 대한 Thermal 모델링과 Electro-Magnetic 모델링을 수행 ★ 전력소자 모델링을 통해 정교한 전력 시스템을 만들기 위해 반도체와 패키지를 융합해서 모델링해야 하지만 아직까지는 별도로 모델링을 하고 그 결과를 조합하는 기술 수준