9-10 Dasar-dasar Industri Elektronik

Basis-emitor kapasitansi CBE terdiri dari dua istilah: kapasitansi difusi, yang sebanding dengan arus kolektor, dan kapasitansi penipisan, yang merupakan fungsi dari tegangan VBE basis-emitor. Kapasitansi CBE diberikan oleh:

dimanaVJE0 adalah basis-emitor potensial junctionτF adalah basis waktu transit untuk arah majuCJE0 adalah basis-emitor nol bias persimpangan kapasitansiMJE adalah koefisien gradasi basis-emitor

Basis-kolektor kapasitansi CBC diberikan oleh ekspresi yang sama seperti Persamaan 9.27. Dalam kasus ketika transistor beroperasi dalam modus maju-aktif, dapat disederhanakan untuk

dimanaVJC0 adalah basis-kolektor potensial junctionCJC0 adalah basis-kolektor nol bias persimpangan kapasitansiMJC adalah koefisien gradasi basis-kolektor

Pada kasus ketika transistor bipolar dalam bentuk terpadu, kapasitansi kolektor-substrat CCS harus dipertimbangkan

dimanaVJS0 adalah kolektor-substrat potensial junctionCJS0 kolektor-substrat nol bias persimpangan kapasitansiMJS adalah koefisien gradasi kolektor-substrat

Ketika transistor memasuki jenuh, atau beroperasi dalam modus reverse-aktif, Persamaan 9.27 dan 9.28 harus diubah untuk

9.6 Teknologi

Teknologi bipolar digunakan untuk membuat IC pertama lebih dari 40 tahun yang lalu. Standar yang sama proses bipolar masih digunakan. Dalam beberapa tahun terakhir, untuk rangkaian kinerja tinggi dan untuk teknologi BiCMOS, proses bipolar standar yang dimodifikasi dengan menggunakan tebal selektif silikon oksidasi

Bipolar Junction Transistor 9-11

bukan tipe-p difusi isolasi. Juga, proses difusi digantikan oleh ion proses implantasi, epitaksi suhu rendah, dan CVD.

9.6.1 Transistor NPN Bipolar TerpaduStruktur khas transistor bipolar terintegrasi ditunjukkan pada Gambar 9.7. Type khas profil dari transistor bipolar ditunjukkan pada Gambar 9.8. Tingkat doping emitor jauh lebih tinggi dari doping basis, keuntungan begitu besar yang mungkin (lihat Persamaan 9.19). Dasar sempit dan memiliki gradien kecil, sehingga waktu operator transit pendek (lihat Persamaan 9.17). Konsentrasi kolektor dekat persimpangan basis kolektor rendah, oleh karena itu, transistor memiliki tegangan breakdown besar, VAF tegangan awal, dan penipisan CB kapasitansi rendah. Konsentrasi pengotor yang tinggi di lapisan dalam mengarah ke resistansi seri kolektor kecil. Strip emitor harus kecil seperti teknologi memungkinkan, mengurangi resistansi seri dasar dan efek crowding saat ini. Jika emitor besar daerah diperlukan, banyak strip emitor sempit interlaced dengan kontak dasar telah digunakan dalam satu transistor. Perhatian khusus harus diambil selama desain sirkuit, sehingga pertemuan basis-kolektor tidak bias maju. Jika pertemuan basis-kolektor bias maju, maka transistor PNP parasit aktifkan. Hal ini menyebabkan operasi sirkuit yang tidak diinginkan. Dengan demikian, transistor bipolar terintegrasi tidak harus beroperasi secara terbalik atau dalam mode saturasi.

9-12 Dasar-dasar Industri Elektronik

9.6.2 Lateral dan Vertikal PNP TransistorStandar teknologi bipolar berorientasi untuk pembuatan transistor NPN dengan struktur ditunjukkan pada Gambar 9.7. Menggunakan proses yang sama, elemen sirkuit lain, seperti resistor dan PNP transistor, dapat dibuat juga. Transistor lateral, yang ditunjukkan pada Gambar 9.9a, menggunakan basis tipe-p lapisan untuk kedua emitor dan kolektor rekayasa. Transistor vertikal, yang ditunjukkan pada Gambar 9.9b, menggunakan tipe-p lapisan dasar untuk emitor, dan tipe-p substrat sebagai kolektor. Transistor ini kadang-kadang dikenal sebagai transistor substrat. Dalam kedua transistor, yang dasar terbuat dari tipe-n lapisan epitaxial. Transistor tersebut dengan dasar sama dan tebal lambat. Juga, saat ini β gain dari transistor tersebut kecil. Perhatikan bahwa transistor vertikal memiliki kolektor korsleting ke substrat seperti Gambar 9.10B menggambarkan. Ketika transistor PNP dengan keuntungan besar saat diperlukan, maka konsep transistor komposit dapat diimplementasikan. Seperti transistor komposit, yang dikenal juga sebagai transistor super-beta, terdiri dari transistor PNP lateral yang, dan standar NPN transistor terhubung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.10c. Transistor tersusun bertindak sebagai transistor PNP dan memiliki β gain arus kurang lebih sama dengan βpnpβnpn.

9.7 Parameter Model

Hal ini penting untuk menggunakan model transistor yang tepat dalam alat desain dibantu komputer. Keakuratan hasil simulasi tergantung pada akurasi model, dan pada nilai-nilai parameter model yang digunakan. Pada bagian ini, sensitivitas dan urutan kedua efek termal dalam model transistor dibahas.The SPICE bipolar parameter model transistor juga dibahas.Bipolar Junction Transistor 9-13

9.7.1 Sensitivitas Thermal

Semua parameter dari model transistor tergantung suhu. Beberapa parameter yang sangat kuat fungsi suhu. Untuk menyederhanakan deskripsi model, ketergantungan suhu beberapa parameter yang sering diabaikan. Dalam bab ini, ketergantungan suhu model transistor dijelaskan berdasarkan model dari program SPICE [3-5]. Penyimpangan dari suhu aktual ketergantungan juga akan dibahas. Ketergantungan suhu persimpangan kapasitansi diberikan oleh

Dimana TNOM adalah suhu nominal, yang ditentukan dalam program SPICE di .OPTIONS pernyataan. Potensi persimpangan VJ (T) adalah fungsi dari temperatur

Nilai 3, di koefisien perbanyakan persamaan di atas adalah dari ketergantungan suhu dari kepadatan negara yang efektif dalam valensi dan pita konduksi. Ketergantungan suhu celah energi dihitung dalam program SPICE dari

Saturasi transistor saat ini sebagai fungsi temperatur dihitung sebagai

Dimana EG adalah celah energi pada suhu nominal. Persimpangan kebocoran arus ISE dan ISC adalahdihitung dengan menggunakan

dan

Ketergantungan suhu transistor saat ini keuntungan βF dan βR dimodelkan dalam SPICE sebagai

9-14 Dasar-dasar Industri Elektronik

Model SPICE tidak memberikan hasil yang akurat untuk hubungan suhu gain β saat pada arus tinggi. Untuk tingkat tinggi saat ini, keuntungan saat menurun tajam dengan suhu, seperti dapat dilihat dari Gambar 9.3. Juga, lutut parameter saat IKF, IKR, IKB tergantung suhu, dan ini tidak diimplementasikan dalam program SPICE.

9.7.2 Efek Orde KeduaGain β saat ini kadang-kadang dimodelkan secara tidak langsung dengan menggunakan persamaan yang berbeda untuk kolektor dan arus basis [4,5]

Dimana

Dan

dimanaISE adalah basis-emitor kebocoran arusISC adalah basis-kolektor persimpangan kebocoran arusηE adalah basis-emitor kebocoran koefisien emisiηC adalah basis-kolektor persimpangan kebocoran koefisien emisi

Waktu transit ke depan τF adalah fungsi dari kondisi biasing. Dalam program SPICE, parameter τFdihitung dengan menggunakan

Pada frekuensi tinggi, fase pergeseran arus kolektor. Pergeseran fase ini dihitung dalam Program SPICE dengan cara sebagai berikut:

Dimana PTF adalah koefisien untuk perhitungan fase kelebihan.

Kebisingan biasanya dimodelkan sebagai kebisingan termal untuk resistensi seri parasit, dan sebagai ditembak dan flicker kebisingan untuk kolektor dan basis arus

Bipolar Junction Transistor 9-15

Dimana KF dan AF adalah koefisien kebisingan berkedip. Informasi lebih lanjut tentang pemodelan kebisingan

diberikan dalam kebisingan bab bipolar dari buku ini.

9.7.3 Bipolar Transistor dari SPICE Model Model SPICE transistor bipolar menggunakan persamaan yang mirip atau identik seperti yang dijelaskan dalam bab ini [3-5]. Tabel 9.1 menunjukkan parameter model transistor bipolar dan hubungannya dengan parameter digunakan dalam bab ini. The (Program Simulasi dengan Integrated Circuit Penekanan [3]) SPICE dikembangkan terutama untuk analisis IC. Selama analisis, diasumsikan bahwa suhu semua elemen sirkuit adalah sama. Hal ini tidak berlaku untuk IC power di mana suhu persimpangan mungkin berbeda dengan suhu 30K atau lebih. ini adalah jelas tidak benar untuk rangkaian yang terdiri dari unsur-unsur diskrit mana suhu persimpangan mungkin berbeda dengan 100K dan banyak lagi. Efek suhu tersebut, yang dapat mempengaruhi secara signifikan hasil analisis, tidak diimplementasikan dalam program SPICE. Meskipun SPICE Model bipolar transistor menggunakan lebih dari 40 parameter, banyak fitur dari transistor bipolar tidak termasuk dalam model. Misalnya, karakteristik persimpangan reverse dijelaskan oleh Persamaan 9.32. Model ini tidak memberikan hasil yang akurat. Di persimpangan silikon nyata, kebocoran arus sebanding dengan ketebalan lapisan deplesi, yang sebanding dengan V1 / m. Juga, model SPICE transistor bipolar mengasumsikan bahwa tidak ada tegangan persimpangan breakdown. Sebuah model yang lebih akurat dari karakteristik persimpangan reverse dijelaskan di bagian diode ini buku pegangan. Waktu transit sebaliknya τR sangat penting untuk model properti beralih dari disamakan transistor bipolar, dan itu adalah fungsi yang kuat dari kondisi biasing dan suhu. kedua fenomena tidak diimplementasikan dalam model SPICE.

9.8 SiGe HBTsKinerja Si transistor bipolar dapat sangat ditingkatkan dengan teknik profil bandgap dasar yang tepat menggunakan bahan celah pita sempit, SiGe, paduan Si dan Ge. Struktur bijaksana, SiGe HBT pada dasarnya adalah sebuah Si BJT dengan basis SiGe. Kinerja operasi dan keuntungan level rangkaian dapat diilustrasikan dengan diagram pita energi pada Gambar 9.11 [7]. Sini isi Gelinier dinilai dari emitor menuju kolektor untuk menciptakan medan listrik yang besar mempercepat yang mempercepat transportasi pembawa minoritas di dasar, sehingga membuat kecepatan transistor jauh lebih cepat dan frekuensi cutoff yang lebih tinggi. Segala sesuatu yang lain yang sama, potensi penghalang untuk injeksi elektron ke dasar berkurang, sehingga secara eksponensial meningkatkan kolektor saat ini. Arus basis adalah sama untuk SiGe HBT dan Si BJT, sebagai emitor biasanya membuat sama. Beta demikian tinggi di SiGe HBT. Gambar 9.12 menegaskan harapan eksperimen tersebut dengan data dari generasi pertama teknologi SiGe HBT khas. Doping dan Ge diukur profil ditunjukkan pada Gambar 9.13. Lebar dasar metalurgi hanya 90 nm, dan basis netral lebar sekitar 50 nm. Gambar 9.14 menunjukkan frekuensi cutoff eksperimental perbaikan ft dari menggunakan SiGe dasar bergradasi, yang juga langsung diterjemahkan ke dalam maksimum fmax frekuensi osilasi peningkatan.

9-16 Dasar-dasar Industri Elektronik

TABLE 9.1 Parameters of SPICE Bipolar Transistor ModelName SPICE Typical SPICEUsed Equations Name Parameter Description Unit Value DefaultIs 10, 11 IS Saturation current A 10−15 10−16

ISE 39 ISE B-E leakage saturation current A 10−12 0ISC 39 ICS B-C leakage saturation current A 10−12 0βF 14, 16, 21 BF Forward current gain — 100 100βR 14, 16, 21 BF Reverse current gain — 0.1 1ηF 15, 24, 30, NF Forward current emission coefficient — 1.2 1.0

31, 39-41ηR 15, 24, 3031, NR Reverse current emission coefficient — 1.3 1.0

39-42ηE 39 NE B-E leakage emission coefficient — 1.4 1.5ηC 39 NC B-C leakage emission coefficient — 1.4 1.5VAF 21, 40 VAF Forward Early voltage V 200 ∞VAR 21, 40 VAR Reverse Early voltage V 50 ∞IKF 22, 23, 40 IKF βF high current roll-off corner A 0.05 ∞IKR 22, 23, 40 IKR βR high current roll-off corner A 0.01 ∞IRB 26 IRB Current where base resistance falls by half A 0.1 ∞RB 25, 26 RB Zero base resistance Ω 100 0RBmin 25, 26 RBM Minimum base resistance Ω 10 RBRE Figure 9.6 RE Emitter series resistance Ω 1 0RC Figure 9.6 RC Collector series resistance Ω 50 0CJE0 27 CJE B-E zero-bias depletion capacitance F 10−12 0CJC0 28 CJC B-C zero-bias depletion capacitance F 10−12 0CJS0 29 CJS Zero-bias collector-substrate capacitance F 10−12 0VJE0 27 VJE B-E built-in potential V 0.8 0.75VJC0 28 VJC B-C built-in potential V 0.7 0.75VJS0 29 VJS Substrate junction built-in potential V 0.7 0.75mJE 27 MJE B-E junction exponential factor — 0.33 0.33mJC 28 MJC B-C junction exponential factor — 0.5 0.33mJS 29 MJS Substrate junction exponential factor — 0.5 0XCJC Figure 9.6 XCJC Fraction of B-C capacitance connected to — 0.5 0

internal base node (see Figure 9.6)τF 17, 28, 30, 42 TF Ideal forward transit time s 10−10 0τR 31 TR Reverse transit time s 10−8 0XTF 43 XTF Coefficient for bias dependence of τF — 0VTF 43 VTF Voltage for τF dependence on VBC V ∞ITF 43 ITF Current where τF = f(IC,VBC) starts A 0PTF 44 PTF Excess phase at freq = 1/(2πτF) Hz deg 0XTB 38 XTB Forward and reverse beta temperature exponent 0EG 34 EG Energy gap eV 1.1 1.11XTI 35-37 XTI Temperature exponent for effect on Is — 3.5 3KF 46 KF Flicker-noise coefficient — 0AF 46 AF Flicker-noise exponent — 1FC FC Coefficient for the forward-biased depletion — 0.5

0.5capacitance formula

TNOM 32-38 TNOM Nominal temperature specified in OPTION K 300300

statement

Bipolar Junction Transistor 9-17

9.8.1 Operasi Prinsip dan Kinerja Keuntungan lebih Si BJTDalam transistor modern, terutama dengan penggunaan polysilicon emitor, beta mungkin cukup. Jika begitu, potensi beta yang lebih tinggi SiGe HBT kemudian dapat diperdagangkan untuk mengurangi resistensi dasar, menggunakan doping basis yang lebih tinggi. Kemampuan unik secara bersamaan mencapai beta tinggi, ketahanan basis yang rendah, dan frekuensi cutoff tinggi membuat SiGe HBT menarik bagi banyak sirkuit RF. Broadband kebisingan alami berkurang, resistensi dasar serendah mengurangi transistor tegangan input kebisingan, dan beta tinggi serta tinggi ft mengurangi transistor masukan gangguan arus [7]. Eksperimental, 1 / f kebisingan di arus basis yang sama ditemukan kurang lebih sama untuk SiGe HBT dan Si BJT [8]. Akibatnya, 1 / f kebisingan alami sering berkurang di SiGe sirkuit HBT yang sama biasing arus kolektor, sebagai dasar saat ini sering lebih kecil karena beta yang lebih tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.15, dengan menggunakan frekuensi sudut sebagai gambar dari merit.

9-18 Dasar-dasar Industri Elektronik

Ini, bersama-sama dengan optimasi tingkat rangkaian dapat menyebabkan baik tahap rendah osilator kebisingan dan synthesizer frekuensi cocok untuk rangkaian komunikasi jalur nirkabel dan kawat. lain kurang keuntungan yang jelas dari kadar Ge adalah sisi kolektor basis netral yang memiliki sedikit dampak pada arus kolektor dari sisi emitor basis netral. Akibatnya, sebagai tegangan kolektor bervariasi dan sisi kolektor basis netral bergeser ke arah emitor karena meningkatnya junctiondepletion CB ketebalan lapisan, arus kolektor meningkat pada tingkat yang jauh lebih rendah daripada di comparably dibangun Si BJT, yang mengarah ke impedansi output yang jauh lebih tinggi atau tegangan awal. Produk β × VA adalah sehingga jauh lebih tinggi di SiGe HBT daripada di Si BJT.

9.8.2 Industri Praktek dan Fabrikasi TeknologiPraktek standar industri saat ini adalah untuk mengintegrasikan SiGe HBT dengan CMOS untuk membentuk SiGe BiCMOS teknologi. Kemampuan untuk mengintegrasikan dengan CMOS juga keuntungan yang signifikan dari SiGe HBT lebih III-V HBT. Modern SiGe BiCMOS menggabungkan analog dan keuntungan kinerja RF dari SiGe HBT,

Bipolar Junction Transistor 9-19

dan logika rendah daya, tingkat integrasi yang tinggi, dan kepadatan memori Si CMOS, menjadi biaya tunggal (SoC) solusi efektif system-on-chip. Biasanya, HBTs SiGe dengan beberapa tegangan breakdown yang ditawarkan melalui implantasi kolektor selektif, untuk memberikan lebih banyak fleksibilitas dalam desain sirkuit. Proses pembuatan SiGe HBT dan integrasi dengan CMOS telah terus berkembang dalam dua dekade terakhir, dan bervariasi dari perusahaan ke perusahaan. Berikut adalah beberapa fabrikasi umum elemen dan modul dibagi oleh banyak, jika tidak semua, komersial generasi pertama (juga paling luas di manufaktur saat ini) teknologi SiGe:1. N mulai + subcollector sekitar 5 Ω / persegi pada tipe-p substrat pada 5 × 1015 / cm3, biasanya bermotif untuk memungkinkan integrasi CMOS.2. suhu tinggi, ringan doped n-jenis kolektor, sekitar 0.4-0.6 μm tebal pada 5 × 1015 / cm3.3. polysilicon diisi parit yang dalam untuk isolasi dari perangkat yang berdekatan, biasanya 1 μm lebar dan 7-10 μm dalam.4. Oxide diisi parit dangkal atau LOCOS untuk isolasi perangkat lokal, biasanya 0.3-0.6 μm dalam.

9-20 Dasar-dasar Industri Elektronik

5. ditanamkan kolektor mencapai hingga subcollector, biasanya pada 10-20 Ωμm2.6. SiGe epilayer komposit yang terdiri dari 10-20 nm Si penyangga, sebuah 70-100 nm boron-doped SiGelapisan aktif, dengan atau tanpa C doping untuk membantu menekan boron keluar difusi, dan 10-30 nm Si topi. Dosis boron terintegrasi biasanya 1-3 × 1013 / cm2.7. Berbagai skema EB diri keselarasan, tergantung pada struktur perangkat dan pertumbuhan SiGePendekatan. Semua dari mereka memanfaatkan semacam spacer yang 100-300 nm lebar.8. Beberapa implantasi kolektor self-aligned untuk memungkinkan beberapa tegangan breakdown pada yang sama Chip.9. polysilicon dasar ekstrinsik, biasanya terbentuk selama pertumbuhan SiGe lebih dangkal parit oksida, dan tambahan self-aligned implantasi ekstrinsik untuk menurunkan resistensi dasar.10. Sebuah silicided dasar ekstrinsik.11. Sebuah 100-200 nm tebal doping berat (> 5 × 1020 / cm3) polysilicon emitor, baik implan atau in situ diolah.12. Berbagai tingkat beberapa back-end-of-line skema metallization menggunakan Al atau Cu, biasanyadipinjam dari proses CMOS orangtua.

Unsur-unsur teknologi juga dapat dilihat pada gambar elektronik dari generasi kedua SiGe HBT ditunjukkan pada Gambar 9.16.

Referensi

1. J. J. Ebers and J. M. Moll, Large signal behavior of bipolar transistors. Proceedings IRE 42(12), 1761–1772, December 1954.2. H. K. Gummel and H. C. Poon, An integral charge-control model of bipolar transistors. Bell System Technical Journal 49, 827–852, May 1970.3. L. W. Nagel and D. O. Pederson, SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). University of California, Berkeley, ERL Memo No. ERL M382, April 1973.4. P. Antognetti and G. Massobrio, Semiconductor Device Modeling with SPICE, McGraw-Hill, New York, 1988.5. A. Vadimiresku, The SPICE Book, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, 1994.6. R. S. Muller and T. I. Kamins, Device Electronics for Integrated Circuits, 2nd edn., John Wiley & Sons, New York, 1986.7. J. D. Cressler and G. Niu, Silicon–Germanium Heterojunction Bipolar Transistor, Artech House,Boston, MA, 2003.8. G. Niu, Noise in SiGe HBT RF technology: Physics, modeling and circuit implications. Proceedingsof the IEEE, 93(9), 1583–1597, September 2005.

BAB 10EFEK AREA TRANSISTOR

10.1 Introduction.........................................................................10-110.2 MOS Transistor....................................................................10-1

MOS Structure and Threshold Voltage • MOS Transistor CurrentCharacteristics • Second-Order Effects on a MOS Transistor

10.3 Junction Field Effect Transistor..........................................10-1010.4 Static Induction Transistor.................................................10-13

Theory of SIT Operation for Small Currents • Theory of SITfor Large Currents • Bipolar Mode of Operation of the SIT

10.5 Lateral Punch-Through Transistor.....................................10-1710.6 Power MOS Transistors......................................................10-19References 10-21

Bogdan M.WilamowskiAuburn UniversityJ. David IrwinAuburn University

10.1 PendahuluanAda beberapa jenis transistor efek medan (FET), yang masing-masing memiliki perbedaan prinsip operasional. Misalnya, ada logam oksida semikonduktor (MOS) transistor, junction bidang transistor efek (JFET), transistor induksi statis (duduk), transistor pukulan-melalui (PTT), dan lain. Semua perangkat ini menggunakan aliran pembawa muatan mayoritas. Yang paling populer di antara kelompok ini adalah transistor MOS, yang terutama digunakan dalam sirkuit terpadu [T99, N06, S05]. Sebaliknya, JFET tidak cocok untuk integrasi dan jadi terutama dibuat sebagai perangkat individu [E97, R99]. Semua FET memiliki resistansi masukan yang sangat besar pada urutan 1.012 Ω. MOS transistor biasanya beroperasi dengan arus yang sangat kecil [N02], dan dengan demikian untuk aplikasi elektronika daya, ribuan transistor MOS dihubungkan secara paralel. Sebuah JFET biasanya beroperasi dengan arus yang lebih besar. Kedua JFET dan transistor MOS memiliki transconductances relatif kecil, dan ini berarti bahwa mereka tidak dapat mengontrol aliran arus seefektif bipolar junction transistor (BJTs). Karena kapasitor parasit adalah dari urutan yang sama besarnya, BJTs dapat mengisi dan debit kapasitor ini jauh lebih cepat dan BJTs lebih cocok untuk operasi frekuensi tinggi. Karena aliran arus dalam transistor MOS sangat dekat dengan silikon permukaan di mana negara-negara permukaan dapat berfluktuasi dengan waktu, perangkat MOS memiliki tingkat kebisingan yang relatif tinggi, terutama pada frekuensi rendah.

10.2 MOS TransistorMOS transistor dapat dianggap sebagai kapasitor yang tegangan diterapkan ke gerbang G akan menarik operator (pemilu di NMOS dan lubang di PMOS) dari substrat semikonduktor. lapisan ini akumulasi operator dekat permukaan melakukan saat ini antara sumber dan tiriskan [T99]. Jika tegangan di pintu gerbang meningkat, maka lebih membawa (elektron atau lubang) akan diakumulasikan dekat permukaan, menyebabkan arus besar mengalir, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10.1. Dalam rangka untuk lebih memahami proses akumulasi pembawa bawah pintu gerbang, struktur MOS harus dianalisis secara rinci.