PENGARUH KONTAK BASIS TERHADAP KINERJA
TRANSISTOR BIPOLAR SILIKON GERMANIUM
E. Shintadewi Julian
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Trisakti
E-mail: eshintadewij@yahoo.com
Abstrak
Heterojunction bipolar transistor Silikon Germanium (HBT SiGe) adalah transistor bipolar yang emiter dan kolektornya terbuat dari bahan Si sedangkan basisnya terbuat dari bahan SiGe. HBT SiGe dengan kinerja frekuensi yang tinggi dapat diperoleh dengan optimasi divais pada arah vertikal dan lateral. Optimasi divais pada arah vertikal dilakukan dengan memperkecil ukuran divais pada arah vertikal, mengatur profil dan konsentrasi doping serta profil Ge. Optimasi divais pada arah lateral dilakukan dengan memperkecil ukuran divais pada arah lateral dan menggunakan struktur dengan dua kontak basis. Pada paper ini dikemukakan hasil penelitian yang membandingkan kinerja HBT SiGe yang menggunakan satu-kontak basis dan dua-kontak basis. Penelitian dilakukan pada HBT SiGe dengan luas emiter 0,5 x 10-μm2, 0,25 x 10-μm2 dan 0,18 x 10-μm2. Penelitian dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak simulasi Bipole3v5.3.1. Dari hasil simulasi diperoleh kesimpulan sebagai berikut: HBT SiGe dengan dua-kontak basis menghasilkan frekuensi osilasi maksimum yang tingginya sekitar 1,5 kali frekuensi HBT dengan satu-kontak basis, HBT SiGe dengan dua-kontak basis menghasilkan frekuensi cutoff dan penguatan arus yang sama dengan HBT yang mempunyai
satu-kontak basis dan memperkecil lebar emiter pada arah lateral akan meningkatkan frekuensi cutoff,
frekuensi osilasi maksimum dan penguatan arus.
Kata kunci: kontak, basis, transistor, bipolar, SiGe
Pendahuluan
Heterojunction bipolar transistor Silikon Germanium (HBT SiGe) adalah transistor bipolar yang emiter dan kolektornya terbuat dari bahan Si sedangkan basisnya terbuat dari bahan SiGe. Penggunaan SiGe sebagai basis HBT ini sangat bermanfaat sebab penguatan arus dapat ditingkatkan dengan menggunakan bahan semikonduktor emiter yang mempunyai celah pita energi lebih lebar dari basis atau menggunakan basis yang mempunyai celah pita energi lebih sempit dari emiter (Hueting, 1997). Peningkatan nilai penguatan arus ini dapat dipertukarkan dengan peningkatan kinerja frekuensi HBT SiGe.
HBT SiGe yang pertama dipublikasikan pada 1987 (Iyer, 1987). Bahan SiGe digunakan sebagai basis HBT karena mempunyai celah pita energi yang lebih kecil dari celah pita energi Si yang digunakan sebagai emiter dan kolektor. HBT SiGe diharapkan dapat bersaing dengan HBT kolom III-V karena kompatibilitasnya dengan proses fabrikasi Si yang sudah ada dan karena harganya yang lebih murah. Dewasa ini pencapaian frekuensi HBT SiGe mencapai 375 GHz untuk frekuensi cutoff (ft) (Rieh, 2003) dan 350 GHz untuk frekuensi osilasi maksimum (fmax) (Khater,
2004).
HBT SiGe dengan kinerja frekuensi yang tinggi dapat diperoleh dengan optimasi divais pada arah vertikal dan lateral. Optimasi divais pada arah vertikal dilakukan dengan memperkecil ukuran divais pada arah vertikal, mengatur profil dan konsentrasi doping serta profil Ge. Optimasi divais pada arah lateral dilakukan dengan memperkecil ukuran divais pada arah lateral dan menggunakan struktur dengan dua kontak basis.
Pada paper ini dikemukakan hasil penelitian yang membandingkan kinerja HBT SiGe yang menggunakan satu-kontak basis dan dua-kontak basis. Penelitian dilakukan pada HBT SiGe dengan luas emiter 0,5 x 10-μm2, 0,25 x 10-μm2 dan 0,18 x 10-μm2. Penelitian dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak simulasi Bipole3v5.3.1.
Studi Pustaka
B
kolektor IC dan arus basis IB dalam skala logaritma sebagai fungsi tegangan basis-emiter VBE umum
digunakan untuk memperlihatkan perilaku DC transistor bipolar. Dari Gummel plot inilah dibuat kurva penguatan arus DC sebagai fungsi arus kolektor. Pada VBE rendah, terjadi peningkatan arus
basis yang disebabkan oleh meningkatnya arus rekombinasi pada basis. Hal ini menyebabkan kemiringan (slope) arus basis lebih kecil dari kemiringan arus pada VBE yang lebih besar. Pada VBE
menengah yang disebut juga daerah linear, arus kolektor dan basis mempunyai kemiringan yang sama. Umumnya transistor dirancang untuk bekerja pada daerah linear. Pada VBE tinggi, terjadi
penurunan kemiringan arus kolektor yang disebabkan antara lain oleh tingginya injeksi elektron pada kolektor dan resistansi seri pada basis.
Frekuensi cutoff atau frekuensi transit (ft) didefinisikan sebagai frekuensi pada saat
penguatan arus common emitter (CE) sama dengan satu. Frekuensi transit ini dapat dihubungkan dengan struktur transistor, yaitu melalui waktu tunda dari emiter ke kolektor τec . Hubungan antara frekuensi transit dan waktu tunda adalah:
ec
Waktu tunda total τec pada transistor bipolar merupakan penjumlahan komponen waktu tunda pada setiap bagian dari transistor, yaitu waktu tunda pada emiter, e-b scr (emitter-base space charge region), basis, b-c scr (base-collectorspace charge region) dan kolektor.
Frekuensi osilasi maksimum (fmax) adalah frekuensi pada saat penguatan daya unilateral
sama dengan satu dan dapat dinyatakan dengan (Sze, 2007).
2
dengan Rb resistansi basis dan Cbc kapasitansi sambungan basis-kolektor. Berdasarkan Persamaan
(3) diketahui bahwa frekuensi osilasi maksimum dapat ditingkatkan dengan cara meningkatkan frekuensi cutoff, menurunkan resistansi basis dan/atau menurunkan kapasitansi sambungan basis-kolektor.
Metodologi Penelitian
Penelitian diawali dengan penentuan struktur HBT SiGe pada arah vertikal dan lateral. Struktur pada arah vertikal mencakup profil impuritas dan ukuran/lebar bagian emiter, basis serta kolektor transistor. Selain itu juga ditentukan profil Ge pada basis. Semua HBT SiGe yang digunakan pada penelitian ini mempunyai profil impuritas, profil Ge dan ukuran divais yang sama pada arah vertikal, yaitu yang diperlihatkan pada Gambar 1 (a) dan (b). Lebar emiter adalah 12-nm dengan impuritas tertinggi sekitar 1020-cm-3, basis mempunyai lebar 39-nm dengan impuritas tertinggi 1019-cm-3, dan kolektor mempunyai profil selective implanted collector (SIC). Profil Ge pada basis adalah segiempat dengan fraksi Ge 0,05.
Struktur pada arah lateral mencakup ukuran emiter, basis, kolektor, basis ekstrinsik, burried layer dan isolasi serta jarak dari satu bagian ke bagian lainnya. Sketsa divais pada arah lateral untuk HBT dengan 1 kontak basis diperlihatkan pada Gambar 2 (a) sedangkan HBT dengan 2 kontak basis diperlihatkan pada Gambar 2 (b).
Simulasi dilakukan menggunakan opsi mask otomatis sehingga parameter input yang berkaitan dengan struktur divais pada arah lateral yang perlu didefinisikan hanya luas emiter (AE),
ukuran-ukuran lain pada arah lateral dihitung oleh perangkat lunak secara otomatis. Ada tiga luas emiter yang diamati yaitu AE adalah 0,5 x 10-μm
2
Gambar 1. (a) profil impuritas dan (b) profil Ge HBT SiGe pada arah vertikal
Hasil dan Pembahasan
Dari simulasi HBT SiGe dengan luas emiter 0,18 x 10-μm2, baik untuk satu-kontak maupun dua-kontak basis diperoleh kurva frekuensi cutoff (ft) dan frekuensi osilasi maksimum
(fmax) vs arus kolektor (IC) yang diperlihatkan pada Gambar 3, sedangkan kurva penguatan arus
(βDC) vs arus kolektor diperlihatkan pada Gambar 4. Dari hasil simulasi diketahui bahwa HBT
dengan dua-kontak basis mempunyai frekuensi osilasi maksimum (fmax) lebih tinggi dari HBT
dengan satu-kontak basis sedangkan frekuensi cutoffnya sama. Berdasarkan data hasil simulasi yang dirangkum di Tabel 1, HBT SiGe dengan dua-kontak basis mempunyai nilai puncak fmax,peak
Gambar 2. Skema HBT SiGe pada arah lateral dengan (a) satu-kontak basis dan (b) dua-kontak basis
Gambar 3. Kurva frekuensi cutoff dan frekuensi osilasi maksimum sebagai fungsi arus kolektor pada HBT SiGe dengan luas emiter 0,18 x 10-μm2.
1e-005 0.0001 0.001 0.01 0.1
Dari kurva penguatan arus sebagai fungsi arus kolektor diketahui bahwa besarnya penguatan arus HBT dengan dua-kontak basis dan satu-kontak basis adalah sama. Selain itu dari Tabel 1 juga diketahui bahwa memperkecil lebar emiter pada arah lateral akan meningkatkan nilai frekuensi cutoff, frekuensi osilasi maksimum dan penguatan arus.
Gambar 4. Kurva penguatan arus sebagai fungsi arus kolektor pada HBT SiGe dengan luas emiter 0,18 x 10-μm2.
Tabel 1. Kinerja HBT SiGe
AE (μm2) Kontak
Basis
ft,peak
(GHz)
fmax,peak
(GHz)
βdc,peak
0,5 x 10 1 67 68 294
0,5 x 10 2 65,4 98 294
0,25 x 10 1 77 92 360
0,25 x 10 2 76,4 142 360
0,18 x 10 1 84 106 412
0,18 x 10 2 84 162 412
Kesimpulan
a) HBT SiGe dengan dua-kontak basis menghasilkan frekuensi osilasi maksimum yang tingginya sekitar 1,5 kali frekuensi HBT dengan satu-kontak basis.
b) HBT SiGe dengan dua-kontak basis menghasilkan frekuensi cutoff dan penguatan arus yang sama dengan HBT yang mempunyai satu-kontak basis.
c) Memperkecil lebar emiter pada arah lateral akan meningkatkan frekuensi cutoff, frekuensi osilasi maksimum dan penguatan arus.
100 150 200 250 300 350 400 450
1e-005 0.0001 0.001 0.01 0.1
b
e
ta
d
c
Ic (Amp)
018_2base beta dc 018_1base beta dc
Daftar pustaka
Hueting, R.J.E., 1997, Charge Carrier Transport in Silicon Germanium Heterojunction Bipolar Transistors, Disertasi, Delft University of Technology, Netherland.
Iyer, S.S., Patton, G.L., Delage, S.L., Tiwari, S., dan Stork, J.M.C., 1987, Silicon-Germanium Base Heterojunction Bipolar Transistors by Molecular Beam Epitaxy, Proc. IEDM , 33:874-876.
Khater M. dkk., 2004, SiGe HBT Technology with fmax/ft=350GHz/ 300GHz and Gate Delay Below 3.3ps, IEDM Tech. Digest, 247 – 250.
Rieh J.-S. dkk., 2003, Performance and Design Consideration for High Speed SiGe HBT of ft/fmax=375GHz/210GHz, Proc. Of International Conf. On Indium Phosphide and Related Materials, hal.374 – 377.
