학기말 시험 - 반도체 물리학 (Lecture ID: 395, Class Code

Kukdong University

Dept. of Semiconductor Equipment Engineering Semiconductor Physics

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Copyright by DH Lee SCEE Final Exam – Physics, 2019 Fall

학기말 시험 - 반도체 물리학 (Lecture ID: 395, Class Code: 16000052)

제한 시간 75분 12/10/2019 09:30am A411

성명 정 답 정답 학번

1. 다음 설명의 A, B, C, D의 ( )에 맞는 단어가 무엇인지 ( )에 주어진 보기 중에 골라 아래의 답란 ( ) 안에 적어 넣어라. [8 = 2 x 4]

“원자는 A(양, 음) 전하를 띤 핵과 그 주위를 빠른 속도로 움직이고 있는 B(양, 음) 전하를 띤 전자로 이루어져 있는데, 전기적으로 중성인 핵은 양전하를 가진 C(중성자, 양성자)와(과)

전하를 지니지 않는 D(중성자, 양성자)(으)로 구성되어 있다. 자연에 존재하는 여러 원소가 전기적으로 중성을 나타내는 것은 핵이 가진 A(양, 음) 전하와 전자들이 가진 B(양, 음) 전하가 각각 그 양이 같으므로 인해 서로 상쇄되기 때문이다.”

A ( 양 ) B ( 음 ) C ( 양성자 ) D ( 중성자 )

2. 다음 설명의 빈 ( )에 알맞은 단어는 무엇인지 문제 아래에 마련된 답란 ( )안에 채워 넣어라. [6 = 2 x 3]

“흑연과 금강석(Diamond)은 두 물질 모두 동일한 원소인 A ( 탄소 )(으)로 구성되어 있지만 공간 상에서 원자의 배열 규칙이 달라짐으로 인해 그 구조가 서로 다르다. 흑연은 평면적으로

육각형 그물 구조를 형성하여 얇은 판을 여러 층 쌓은 모양을 이루므로 연필심으로 사용할 수 있을 만큼 잘 부스러지는 반면, 금강석은 탄소가 3차원적으로 치밀하게 배열되어 있는 구조를 형성하며 흑연과는 전혀 다르게 매우 단단한 성질을 지니는데, 이에 따라 그 이름을 빌어 이러한 구조를 B (Diamond Cubic) 구조라고 부른다. 이 원소는 Graphene, Fullerene등의 또 다른 구조를 가질 수 있는데 이렇게 같은 원소가 서로 다른 구조를 형성하는 현상을 C (동질 이상)(이)라고 부른다. 반도체에서 기판으로 사용하는 Silicon의 결정도 금강석과 동일한 결정 구조를 가지고 있다.”

A ( 탄소, 혹은 C ) B ( Diamond Cubic ) C ( 동질이상 )

3. 다음 Archimedes의 원리에 대한 각 문항 1), 2)에 대해 지시한대로 답하라.

1) Archimedes의 원리에 대한 다음 설명의 빈 ( )에 알맞은 단어는 무엇인지 아래에 마련된 답란 ( )안에 채워 넣어라. [4 = 2 x 2]

“정지해 있는 유체 속의 물체에 작용하는 부력은 그 물체가 배제한 유체의 A ( 부피 )에 해당하는 유체의 B ( 무게 )와(과) 동일하다.”

A ( 부피 ) B ( 무게 )

2) 아래의 식을 전개하는 과정에서 ( ) 안에 필요한 내용을 직접 적어 넣어라. [24 = 3 x 6]

“가로, 세로, 높이가 각각 0.50 m, 1.00 m, 0.50 m인 육면체 모양 수족관에 물을 가득 채웠을 때 질량이 수족관에 물을 채우지 않은 상태보다 질량이 250 .00 kg 증가한다. 위 문항 1)에 언급

된 Archimedes원리를 참조하여 물의 질량 밀도 D (단위; kg/m³)를 구할 수 있는데, 밀도를 구하기 위해서는 먼저 물의 질량과 부피를 알아야 한다. 1)의 설명에 의해 수족관에 채워진 물의 질량 m (단위; kg)은 ( 250 ) kg 임을 쉽게 알 수 있다. 또한 물의 부피를 V (단위; m³)라고 하면 문항 1)에 주어진 정보로부터 물의 부피는 수족관의 부피와 같을 것이므로 아래와 같이 계산할 수 있다.”

V = ( 0.50 ) m x ( 1.00 ) m x ( 0.50 ) m = ( 0.25 ) m³

☜

/

4. 물리학적으로 압력의 정의는 계에 작용하는 힘(중력)을 주어진 면적으로 나눈 값이다. 이 정의에 의거하여 다음 문제의 답을 계산하라.

몸무게 686.0 N( = kg·m/s²) 인 사람이 바닥과 접촉한 넓이가 140.0 cm²인 신을 신고 두 발로 마루 위에 서 있을 때 신발 하나가 마루에 작용하는 압력을 SI(kg. m, s, N, Pa 등) 단위로 구하라. [5]

두 발로 서 있는 상황에서 한 발에 작용하는 몸무게는 전체의 절반인 343.0 N( = 686.0

/

p = ^𝑭 𝑨

= 343.0 N

/

/

/

5. 다음 Pascal의 원리에 대한 각 문항 1), 2)에 대해 지시한대로 답하라.

1) Pascal의 원리에 대한 다음 설명의 빈 ( )에 들어가야 할 단어는 무엇인지 아래에 마련된 답란 ( )안에 채워 넣어라. [2]

“밀폐된 유체 속에 작용하는 A ( 압력 )은(는) 유체 내의 모든 부분과 용기의 벽에 똑같이 전달된다.”

(본 문항의 괄호 A에 들어갈 단어는 문항 5.2)의 A와 동일한 물리량이다) A ( 압력 )

2) 아래의 식을 전개하는 과정에서 ( ) 안에 필요한 내용을 직접 적어 넣어라. [18 = 3 x 6]

우측 그림과 같은 유압식 자동차 Lift에서 1차 Piston의 단면적은 A1 = 2.0 x 10^-3 m²이며 Piston의 무게는 무시할 만큼 작다. Lift 쪽 2차 Piston의 단면적은 A2 = 7.0 x 10^-3 m², 자동차와 그 받침을 합한 무게는 F2 = 17,500.0 N이라고 한다. 두 Piston의 높이는 같다고 할 때 Lift를 들어 올리기 위해 1차 Piston에 가해야 하는 힘의 크기 F1은 얼마인지 계산하기 위한 아래 과정의 빈 ( )를 맞는 숫자나 단어로 채워 넣어 완성하라. (본 문항의 괄호 A의 답은 문항 5.1)의 A와 같으므로 아래 A의 답에 부여되는 점수는 없음) “1과 2의 두Piston 작용하는 A ( 압력 )을(를) 각각 p

1, p

2라 하고 문항 1)의 답을 완성하여 이 문제에 적용하면 p

1 = p

2가 된다.

문제에 주어진 정보에 의해 먼저 p

2를 아래와 같이 구할 수 있다.” (이하 괄호 A 안에 들어갈 단어는 모두 같은 단어)

p2 = ( 17500.0 ) N

/ (

/

Piston 1에도 동일한 A ( 압력 )이(가) 작용한다는 것이 Pascal의 법칙이므로, 이제 이래와 같이 p

1에 대한 표현식으로부터 F1을 구할 수 있다.

p1 = F1

/

∴ F1 = p

1 x A1 = p

2 x A2

= ( 2.5 x 10⁶ ) N

/

(

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Copyright by DH Lee SCEE Final Exam – Physics, 2019 Fall

학기말 시험 - 반도체 물리학 (Lecture ID: 395, Class Code: 16000052)

제한 시간 75분 12/10/2019 09:30am A411

6. 질량 0.20 kg의 물을 20.00°C에서 100.0°C까지 올리는데 필요한 열(Q)을 J(Joule) 단위로 구하라. 물의 비열(C)은 4180.0 J/kg·°C이다. [5]

물질의 온도 변화를 T, 질량을 m이라고 할 때 비열, 질량, 온도 변화량, 열량 사이의 관계는 아래의 식으로 표시된다.·

Q = C·m·T

= (4180.0 J

/

= 66880.0 J

7. 강(Steel)의 선팽창계수()는 1.2 x 10^-5

/

재료의 길이 변화와 선팽창계수, 온도 간의 변화는 아래의 식으로 표시되는데, 겨울 낮과 여름 한낮의 온도 차이 T는 40.0 °C이므로 늘어난 길이는

l = · l · T

= 1.2 x 10^-5 (

/

= 5.8 x 10^-1 m ≅ 5.8 x 10^-3 cm

8. 휘발유를 사용하는 자동차 Engine이 작동할 때 15000 J의 화학적 위치 Energy를 가지는 휘발유가 1초 내에 연소한다. 그 동안 Engine은 3000 J의 일을 한다고 한다.

1) 주어진 정보에만 의존하여 이 자동차 Engine의 효율을 백분율(%)로 구하여 답하라.. [5]

[효율] = [ (출력 Energy)

/

= [ (3000 J

/

2) 타고 있는 휘발유Engine의 온도는 2227 °C 이다. 이 Engine이 작동하면서 나오는 폐열이 온도 27 °C의 공기로 흘러 들어간다면 이 열기관의 Carnot 효율은 얼마인가? [5]

Carnot 효율을 정의하는 아래의 식에서 효율을 구하면 되는데 다만 온도를 절대온도로 환산하여야 한다.

[Carnot 효율] = [ (Th – Tl )

/

= ^{𝟐𝟓𝟎𝟎−𝟑𝟎𝟎}

𝟐𝟓𝟎𝟎 x 100(%) = 88%

9. 20 °C의 공기 중에서 진행하는 소리의 어떤 주파수가 사람의 평균 키인 1.7 m와 같은 파장을 가질까? 이 온도에서 소리의 속력

v

f = v

/

= (344.0 m/s)

/

10. 가파른 절벽 면 앞 300.0 m에 사람이 서 있다. 사람이 소리를 지를 때 메아리를 듣기 전 경과하는 시간을 구하라. 상온(20 °C)에서 소리의 속도는 344.0 m/s이다. [4]

소리가 절벽 면에 도달하여 되돌아와야만 사람이 자신이 지른 소리의 메아리를 들을 수 있다. 따라서 소리가 이동하는 경로는 사람과 절벽 사이 거리의 두 배인 600.0 m가 되어야 한다.

t = d / v

= 600.0 m

/

11. 휴대전화기로 문자를 보낼 때 일반적으로 400.0 mW의 전력을 소비한다. 이러한 조건에서 전화기가 3.6 V의 전압을 가진 전지를 사용하여 동작할 때 휴대전화기의 회로를 통해 흐르는 전류를 구하라. [5]

아래 전력과 전압, 전류 사이의 관계식을 사용하여 답을 다음과 같이 구할 수 있다.

P = I V

∴ I = P

/

= 400.0 x 10^-3 W / 3.6 V = 0.1 A