LAPORAN HASIL PENELITIAN [tahun pertama, tahun 2009] Oleh Drs. A. Tossin Alamsyah ST, MT

(1)

t

!

~~

·-

--.i

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI JAKARTA

Nopember 2009

Dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi · Departemen Pendidikan Nasional

Surat perjanjian Pelaksanaan Program Penelitian Dasar No. 051/SP3/PP /DP2M/II/2009

Oleh

Drs. A. Tossin Alamsyah ST, MT

Judul:

Pemodelan

Heterojunction Bipolar Transistor

( HBT) Si

I

Si

1-x

ce;

Berdasarkan Pengontrolan

Profile

Graded

Silikon dan Germanium pada Basis

LAPORAN HASIL PENELITIAN

[tahun pertama, tahun 2009]·

(2)

Lap Jundamental _ 2009 _toss in

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI JAKARTA

Nopember 2009

Dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan Nasional

Surat perjanjian Pelaksanaan Program Penelitian Dasar No. 051/SP3/PP /DP2M/Il/2009

Oleh

Drs. A. Tossin Alamsyah ST, MT

Judul:

Pemodelan

Heterojunction Bipolar Transistor

( HBT) Si

I

Si 1-

x

Ge

x

Berdasarkan Pengontrolan Profile

Graded

Silikon dan Germanium pada 'Basis

LAPORAN HASIL PENELITIAN

[tahun pertama, tahun 2009]

(3)

Ciiecked : -··· -- _; DOKUMENTASI & ARSIP .

i

BAPPENAS

Aec

.

No

. :

{/_

~·

%

-···-

=

· a

~

ClllBs : .•...•••..•...

(..J.f

..

···

-

(4)

(5)

ii 37 41 50 53 56 57 34 36 i ii iii iv v vi vii ix

Lap Jundamental _2009 _toss in

BAB 5 HASIL DAN PEMBAHASAN 5.1 Model HBT SiGe

5.2 Pengaruh Rancangan Basis terhadap

fi

dan

f

max

5.3 Pengaruh-Rancangan Emiter terhadap

fi

danfmax

5.4 Pengaruh Dimensi Lateral terhadap

fi

dan

/max

BAB 6 KESIMPULAN DAFTAR PUSTAKA LAMP IRAN 4.1. Tahapan Penelitian. 4.2 Luaran Penelitian. BAB 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang 1

1.2 Masalah yang diteliti. 2

1.3. Sistimatika Laporan.

BAB 2. HETEROSTRUKTUR SILIKON GERMANIUM 6

2.1 Sifat Fisika Bahan SiGe. 6

2.2 Junction Heterostruktur Silikon-Germanium ..

( SiGe). 9

2.3 Energi bandgap pada HBT SiGe. 13

2.4 HBT SiGe (Silikon Germanium). 17

BAB 3. TUJUAN dan MANFAAT

3.1. Tujuan Penelitian. 30

3.2 Manfaat Penelitian. 30

BAB 4. DESAIN DAN METODE PENELITIAN

HALAMAN JUDUL, DAFTARISI, LEMBAR PENGESAHAN RINGKASAN, PRAKATA, DAFTAR TABEL, DAFI'AR GAMBAR, DAFI'AR LAMPIRAN DAFTARISI

(6)

(7)

111

Lap Jundamental _2009 _toss in

Mengetahui,

~Politeknik Negeri J

UJ

~""'

_\);

Prof. Dr. Ir. Jol-hy Wahyuadi M.So'"""'"'lA'-1

NIP. 19560917198603 1 0 -

( Ir. Budi Damianto, M.Si

\NIP. 19580108 198403 1 001

1. Peneliti Utama

a. Nama Lengkap : Ors. A. Tossin Alamsyah, ST, MT

b. [enis Kelamin : Laki -laki

c. Nip. : 19600805 198603 011

d. Pangkat /Golongan : Pembina / 4B

e. Jabatan Funsgsional : Lektor Kepala

f. Fakultas I Jurusan : Politeknik Negeri Jakarta I Teknik Elektro.

g. Perguruan tinggi : Politeknik Negeri Jakarta

h. Pusat Penelitian : P2M Politeknik Negeri Jakarta

2. Jumlah tim Peneliti : 2(dua) orang

3. Lokasi Penelitian : Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri

Jakarta

4. Kerjasama dengan Institusi lain : Tidak ada

a. Nama Institusi b. Alamat

5. Masa Penelitian : 10 (sepuluh) bulan

6. Bia ya : Rp. 35.000.000,-

(Tiga puluh lima juta rupiah)

Ketua eneliti,

Judul : Pemodelan Heterojunction Bipolar Transistor ( HBT) Si I Si 1-x Gex

Berdasarkan Pengontrolan Profile Graded Silikon dan Germanium pada Basis

(8)

iv

Lap Jundamental _2009 _tossin

Penelitian ini dilaksanakan selama dua(2) tahun yaitu tahun 2009

dan 2010, hasil di tahun kedua (2010) akan didapat simulasi tiga(3) dimensi dari HBT SiGe dengan Pengontrolan Profile Graded Silikon dan Germanium pada Basi.

Pada penelitian tahun pertama (2009) telah dilakukan simulasi dan pembahasan mengenai Profile Graded Silikon dan Germanium pada Basis SiGe HBT terhadap unjuk ketja HBT SiGe Pemodelan berdasarkan pada Model IBM generasi pertama dengan tool menggunakan software Bipole3. Model parameter HBT SiGe ditentukan AE 0,25x10 µm2, WE 10

nm, WB 40 nm, We 350 nm, NE 1()21 cm-3, dan NB 1019 cm-3 Konsentrasi

doping basis sangat mempengaruhi ft dan fmax· Konsentrasi doping basis yang lebih tinggi menghasilkan ft lebih rendah dan fmax lebih tinggi. HBT SiGe dengan AE 0,25x10 µm2, WE 10 nm, NE maksimum 1021 cm-3, WB 40

nm, We 350 nm, profil kolektor SIC, profil Ge segiempat dengan fraksi

Ge 0,1, pada konsentrasi doping basis NB 1019 cm-3 menghasilkan ft

maksimum 109 GHz dan fmax maksimum 116 GHz, sedangkan pada NB 3x1019 cm-3 menghasilkan ft maksimum 90,9 GHz dan fmax maksimum 142 GHz.

Profil Ge segiempat pada basis menghasilkan arus kolektor paling tinggi dibanding profil Ge segitiga dan trapesium, oleh sebab itu dapat menghasilkan waktu tunda pada emiter, e-b scr dan b-c scr lebih rendah, sehingga dapat menghasilkan ft lebih tinggi. HBT SiGe dengan AE 0,25x10

µm2, WE 10 nm, NE maksimum 1021 cm-3, WB 40 .nm, NB maksimum lQ19

cm-3, We 350 nm dengan profil kolektor SIC dan profil Ge segiempat menghasilkan ft maksimum 109 GHz dan fmax maksimurn 116 GHz, sedangkan profil Ge segitiga menghasilkan ft maksimum 103 GHz -dan fmax maksimum 109 GHz.

(9)

(10)

v

Depok, Nopember 2009 A. Tossin Alamsyah

. '

Semoga am.al baik semua pihak dapat diterima dan mendapatkan imbalan yanglayak.Amin

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas terselesaikannya

Penelitian Dasar dengan judul " Pemodelan Heterojunction Bipolar

Transistor ( HBT) Si I Si 1-x ce; Berdasarkan Pengontrolan Profile Graded

Silikon dan Germanium pada Basis x" yang dibiayai DP2M Dikti tahun

2009. Penelitian ini juga merupakan salah satu bagian dari topik disertasi

penulis pada Program Doktor I S3 bidang Elektro di Universitas

Indonesia. Dalam kesempatan ini juga penulis mengucapkan terima kasih

kepada Tim Reviewer DP2M Dikti yang telah mengarahkan aktivitas

Penelitian saat dilaksanakannya Monitoring & Evaluasi.

Akhirnya kepada Allah jualah penulis berterima kasih atas segalanya .

(11)

vi

Program simulasi divais yang dapat digunakan untuk HBT SiGe[24]

Unjuk kerja HBT SiGe model pada YcB='lV.

Pengaruh konsentrasi doping basis terhadap fi danfmax·

Pengaruh lebar basis terhadap fi dan/max·

Pengaruh profil Ge pada basis terhadap fi dan/max·

Pengaruh konsentrasi doping emiter terhadap

fi

dan f max. Pengaruh lebar emiter terhadap

fi

dan

f

max·

DAFTAR TABEL Tabel5.1 Tabel5.2 Tabel5.3 Tabel5.4 Tabel5.5 Tabel5.6 Tabel4.1

(12)

vii

Perkembangan unjuk kerja HBT SiGe [4] Profie Graded SiGe pada Basis

Dimensi Lateral HBT SiGe Profile Impurity HBT SiGe Diagram Vertikal HBT SiGe Skematik Vertikal HBT SiGe

Struktur HBT SiGe (a) pada arah vertikal [15] dan (b) pada arah lateral [14]

Struktur.rdiamond lattice structure" dari Silikon. Energi bandgap (Eg pada Silikon-Germanium [1 Lattice pada Silikon-Germanium[17]

Mole Fraction pada Silikon-Germanium [1][17][ 18]

Gambar 2.3 Skema lapisan SiGe yang ditumbuhkan di atas substrat Si [1]

Ketebalan kritis sebagai fungsi fraksi Ge. [20]. Tipe Sambungan Heterojunction.

Bandgap Straddling Heterojunction.

Pita konduksi pada sambungan Heterostruktur. Energi bandgap vs fraksi Ge [32]

Energi Bandgap vs Doping Konsentrasi [ 26]

Energi Bandgap vs Mole Fraction, saat Nb

=

1019 cm 3 Skema Operasi Transistor'Bipolar

Skema Operasi Transistor Heterojunction Bipolar (b) Konsentrasi Pembawa muatan (n) pada basis

Konsentrasi Pembawa muatan (n) pada sisi emitor. Mobilitas elektron pada Si

Mobilitas hole pada Si

Rasio HBT dan BJT untuk Jc. Rasio Jc dan Ib HBT ..

Skematik waktu tunda HBT

Struktur transistor bipolar beserta komponen waktu tunda Kontribusi konstanta waktu terhadap waktu tunda terhadap tsc

[30].

Kurva

fi

dan

f

111/lX sebagai fungsi arus kolektor [20]

Profil doping beserta daerah netral dan space charge region.

Dimensi lateral HBT SiGe model. Profil doping HBT SiGe model Profil Ge HBT SiGe model.

DAFTARGAMBAR Gambar2.30 Gambar4.1 Gambar5.1 Gambar5.2 Gambar5.3 Gambar2.4 Gambar2.5 Gambar2.6. Gambar2.7 Gambar2.8 Gambar2.9 Gambar2.10 Gambar 2.1 la Gambar 2.llb Gambar2.12 Gambar2.13 Garn.bar 2.14 a Gambar 2.14b Gambarz.15 Gambar2.16 Gambar2.17 Gambar 2.18 Gambar 2.19. Gambar2.1. Gambar2.2a Gambar2.2b Gambar2.2c Gambar2.3 Gambarl.l Gambar 1.2 Gambar 1.3.a Gambar 1.3.b Gambar 1.3.c Garn.bar 1.3.d Gambarl.4

(13)

viii

Lap Jundamental _ 2009 _tossin

Kurva frekuensi sebagai fungsi arus kolektor HBT SiGe model.

Gambar Gumm.el HBT SiGe model. Kurva penguatan arus HBT SiGe model.

HBT SiGe dengan konsentrasi doping basis bervariasi. HBT SiGe dengan lebar basis bervariasi.

Komponen waktu tunda vertikal HBT SiGe dengan

Ns 1()19cm-3 dan·3x1Ql9cm-3.

Resistansi basis HBT SiGe dengan Ns 1Ql9cm-3 dan 3x1019cm-3.

Waktu tunda pada arah vertikal HBT SiGe dengan lebar basis 30 nm dan 20 nm.

Berbagai variasi profil Ge pada basis

Resistansi basis HBT SiGe dengan lebar basis 30 dan 20 nm. W aktu tunda basis pada HBT SiGe dengan berbagai

profilGe.

Waktu tunda vertikal pada HBT SiGe dengan profil Ge segiempat dan segitiga.

HBT SiGe dengan konsentrasi doping emiter bervariasi. HBT SiGe dengan lebar emiter bervariasi

HBT SiGe dengan luas emiter Ai:; 0,25x2 µm.2 HBT SiGe dengan luas emiter bervariasi

Ai:; 0,12x10 µm.2.

Kurva

fi

dan

/max

HBT SiGe dengan panjang lengan emiter 10 dan 2µm.2, lebar lengan emiter 0,25µm2.

Kurva

fi

dan

f

max HBT SiGe dengan lebar lengan emiter 0,25 dan o,12µm2, panjang lengan emiter lOµm.2.

Gambar5.19 Gambar5.18 Gambar5.15 GambarS.16 Gambar 5.17a. Gambar 5.17b. GambarS.14 Gambar5.12 Gambar 5.13a Gambar 5.13b GambarS.11 Gambar5.10 Gambar5.5 Gambar5.6 Gambar5.7 Gambar5.8 Gambar 5.9 Gambar5.4

(14)

ix

3. Lampiran 3. Arti.kelJumal POLI TEKNOLOGI VOL.8 N0.2, MEI 2009.

Performance

0:18 HBT Si

I

Si

1-x

Gex

dengan pengaturan penskalaan Geometri Lateral

Tossin Alamsyaht, Djoko Hartanto2,NR P~pawati3 lMahasiswa Program Doktor Fakultas Teknik Universitas Indonesia

e-mail : alamsyah pnj@yahoo.co.id

2.3Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia

Rancangan Heterojunction Bipolar Transistor Silikon Germanium (HBT's SiGe) dengan Pendekatan

Poisson Equation

Tossin Alamsyah', Djoko Hartanto2,NR Poespawati3

1 Mahasiswa S3 Fakultas Teknik Universitas Indonesia, e-mail : alamsyah pnj@yahoo.co.id

2.3Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia

2. Lampiran 2. Artikel_seminar PMIP A _UPI Bdg, Desember 2009

Improvement of Respons Frequency and Noise Figure (Fn) of Heterojunction Bipolar Transistor Sic1-x)Gex (HBT SiGe) based

on arrangement Mole Fraction (x) and Germanium Profile

Tossin Alamsyah', Djoko Hartanto2,NR Puspawatis, • E Shinta Dewi Yulian

tMahasiswa program S3 Fakultas Teknik Universitas Indonesia, alarosyah pnj@yahoo.co.id

2.3Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia •Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Trisakti,Jakarta.

1. Lampiran 1. Artikel_seminar di APTECS_ITS Desember 2009

(15)

(16)

1

1. 1. Latar Belakang

Information Computer and Technology (IC1) yang sedang

berkembang saat ini memerlukan divais transmisi data berkecepatan

tinggi yang dapat berubah setiap saat. Berbagai riset dilakukan untuk

memperoleh divais seperti ini. Beberapa material yang dapat digunakan

antara lain Si, SiGe, GaAs dan InP.[1] Untuk menjawab tantangan di atas .

maka sejak tahun 1989 IBM telah memulai memproduksi devais transistor dengan struktur material pada basis terdiri dari Silikon dan Germanium (SiGe) untuk selanjutnya devais ini disebut Heterojunction Bipolar Transistor Silikon Germanium atau HBT SiGe. [2] Kemudian konsep HBT diwacanakan oleh William Shockley pada tahun 1948. Kemudian teorinya dikembangkan dan dipublikasikan oleh Kroemer tahun 1957.[3] Teknologi heterostruktur material pada Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) adalah suatu lompatan yang sangat ?erarti dalam perkembangan devais elektronika dalam mendukung kemajuan Teknologi ICT .

Pada saat ini riset HBT SiGe dikembangkan oleh berbagai institusi antara lain IBM, Infineon, Australia Microsystem (AMS), Hitachi, dan lainnya. Akan tetapi meskipun banyak institusi yang mengembangkan HBT SiGe, rekor HBT SiGe yang mempunyai kemampuan frekuensi tertinggi yaitu dengan frekuensi cutoff maksimum (fi) mencapai 350 GHz yang pada saat ini sedang dikembangkan oleh IBM ditunjukan oleh Gambarl. [4]

HBT SiGe dengan kinerja frekuensi yang tinggi dapat diperoleh dengan mengatur lebar basis, mengatur fraction mole (x) pada Germanium pada pencampuran Silikon serta mengatur profil Ge pada basis serta ketebalan Spacer diantara base emitter serta pengontrolan verikal divais [5]. Dengan berkembangnya teknologi litografi maka sejak akhir 1990-an mulai dilakukan penskalaan pada arah lateral (lateral

BABI PENDAHULUAN

(17)

2

Gambar 1.1 Perkembangan unjuk ketja HBT SiGe [4] 1.2 Masalah yang diteliti.

HBT SiGe dengan unjuk ketja frekuensi dan gain yang tinggi dapat diperoleh dengan pengontrolan Mole Fraction SiGe, Pengaturan Profile SiGe pada basis.[11] Penskalaan pada arah lateral (lateral scaling) [6][7] dan Pengontrolan Polly Crystalline. [13] Selain rancangan IBM contoh HBT SiGe yang mempunyai ni1ai

fi

lebih tinggi dari

Jmax

antara lain: HBT

1996 l'Wl 199& 1999 %000 2001 :W02 2()03 Year !10 I 0 I • 0

•

• *

*

•

• Tntin~ '>WM ... m:J> w lfitaelld ,,. Aumil Micro S)"Rl):ms • DairclerCl:D)•.sW: • Lucent. also NCC -<l Mcevcob (:)$TM"~ IC l'ttillps 100. 150 - 300 3$0

scaling), ini dimaksudkan untuk memperkecil komponen p~rasitik seperti dilakukan oleh Freeman [6] [7][8], pada disertasinya meneliti pertingkatan unjuk ketja frekuensi pada HBT SiGe yang berdasarkan perancangan dengan penskalaan pada arah lateral disertai dengan pengontrolan profil Ge pada basis.[13]

Saat ini hasil kajian unjuk ke Institusi yang mempunyai teknologi

litografi terkecil saat ini adalah: IBM 0,12µm [9] dan Hitachi 0,2µm. [10]

Saat ini hasil kajian unjuk ketja HBT SiGe saat ini untuk Transit Frequency

sampai 350 Ghz [4], maximum oscilation frequencies, f max adalah 285

Ghz dengan ring oscillator delay 4.2 ps. Gambar 1.1 dibawah ini

menunjukan perkembangan pabrikasi HBT SiGe yang sejalan dengan peningkatan unjuk ketja. [4]

(18)

3

Dari masing-masing bentuk kompoisisi Germanium (Ge) pada Silikon diatas maka ditentukan fraction mole SiGe (x) tertentu berdasarkan pada penelitan sebelumnya yaitu x

=

0.2 [1]. Untuk selanjutnya dalam tahapan analisa unjuk ketja HBT Si.{1-x)Gecx) berupa Parameter atau konstanta material komponen berdasarkan pada rancangan HBT sebelumnya yang dikembangkan oleh IBM [2]. Tools untuk menganalisa Unjuk ketja HBT ini digunakan Matlab dan Bipol3G. Kegiatan tahun pertama dilakukan analisa unjuk ketja komponen HBT

Gambar 1.2. Profie Graded SiGe pada Basis

Profile Graded Si-Ge Fraction Mole(x) 0-30%

--~I

B-Si-Ge E-Si C-SI B-Si-Ge

SiGe rancangan Austria Micro System dengan

fi

diatas 170 GHz [4].

Untuk memperoleh rancangan HBT SiGe yang optimal dengan

peningkatan unjuk ketja frekuensi tinggi, dalam perancangan HBT harus diperhitungkan penskalaan pada arah vertikal dan lateral, profil doping pada emiter, basis dan kolektor, pengaturan Mole Fraction (x) pada Si Ge

pada basis dan pengaturan bentuk Profil SiGe pada basis.

Masalah yang akan diteliti adalah pengaruh unjuk ketja pengontrolan Profile Graded Silikon-Germanium pada Heterostruktur HBT Si{1-x)Ge(x , dengan Profile Graded Si-Ge berupa Box, Traingle , Trapezoid dan Box+trapezoid seperti ditunjkan pada Gambar 1.2 di bawah ini.

(19)

4 Lap Jundamental _ 2009 _tossin

Struktur HBT SiGe arah vertikal diperlihatkan pada Gambar 4(a)

[15] dan struktur pada arah lateral diperlihatkan pada Cambar 4(b ). [14)

Gambar 1.3(d) Skematik Vertikal Gambar 1.3 (c ) Diagram

Vertikal

Sttirme Si P. 1x10e1~ SubCdtm" Si n- p 4x10e15cm-3 1

Eniler cap Si n+ p 2x10e1!bn-3 100nm Emiler Si n p 2x10e14arl-3 1rom

et Base 00.95Ge0.~ p+ B 5x10e1~

e:d Base

emitter

Gambar 1.3(b ). Profile Impurity. Cambar 1.3(a). Dimensi

Lateral

..

-

letl°"" I Z 3 ' 5 £1.C...-ii "'""" • r- ti.a I ti.tit ,.,..! ~ ~(LPl:f., ... ,,.. •• _; -tL(J..J- N l e•e -. --ti.."'----: ·---«.,•-· ;! t:Cl'~::.; i,"~ , .. :; CC9

r

' _' " .. ''

~

· ~

~ ~...:~ .... '.

· -

-

l i ! ; l I ... ..---··-.···-··· ·--·-·-·

berdasarkan pengontrolan Profile Graded pada HBT menggunakan tool software Matlab kemudian diselesaikan dengan software Bilpole3 untuk mendapatkan Pemodelan dua(2) dimensi. Sedangkan kegiatan tahun kedua akan dilakukan perancangan komponen HBT Si<t-x)Gecx> dengan

. -

menggunakan bantuan software dan menghasilkan pemodelan tiga(3) dimensi. [adi dengan demikian salah satu hasil akhir dari penelitian ini adalah dihasilkan Blue Print dari rancangan HBT Sic1-x)Gecx> berdasarkabn profile graded yang optimal. Gambar 1.3(a),(b),(c) dan (d) menujukkan layout lateral dan vertikal dari HBT SiGe yang dikembangkan .

(20)

5

1.3 Sistematika Pembahasan

Pada bagian 1 beri.si Pendahuluan Umum, yang terdiri dari statemen

penelitian yang mengulas state d'art phenomena HBT Si Ge, masalah

yang akan diteliti dan sistimatika laporan tahun perama. Pada Bab 2 dibicarakan teori dasar yang mencakup sifat fisika bahan SiGe state d'art yang mencakup perilaku dan HBT SiGe, heterostruktur prilaku transit

elektron dan parameter output dari HBT antara lain frekuensi cutoff dan

waktu tunda serta frekuensi osilasi maksimum. Pada Bab 3 berupa tujuan

dan manfaat penelitian. Pada Bab 4 disajikan penjelasan metode

penelitian berupa desain model dengan berdasar data sekunder hasil penelitian sebelumnya. Pada Bab 5, berisi hasil dan pembasan serta akhirnya pada Bab 6 diberikan kesimpulan hasil riset pada tahun pertama

(2010).

Gambar 1.4 Struktur HBT SiGe (a) pada arah vertikal (15] dan (b) pada

arah lateral [14] u ' u u -(nicrono) 10

-

- -

--

c!

--

BIJ!lod

::.::=

I• - 12 P"SUBSTFATE

(21)

(22)

6

Ketika percampuran Silikon dan Germanium dilakukan maka persamaan

lattice constant Silikon-Germanium dengan pendekatan parabolic

interpolation sesuai dengan persamaan berikut;

aSJGe(x)

=

5.341+0.1992x+ 0.002733x2 (2.1)

Hubungan posisi lattice constant Silikon dan Germanium terhadap

Energi bandgap (Eg) adalah direct . Gambar 2.2a menunjukan diagram energi bandgap (Eg) terhadap tempat kedudukan lattice Silikon dan

Germanium. Gambar 2.2b menunjtikan fungsi lattice pada SiGe jika bahan

germanium sebagai variable, dan Gambar 2.2c menunjukan fungsi Energi Gambar 2.1 Struktur "diamond lattice structure" dari Silikon.

2.1 Sifat Fisika Bahan SiGe.

Struktur Properties dari semikondukor golongan IV , silikon dan germanium adalah sama , yang membedakan keduannya adalah nilai

lattice constan (a) , yaitu Silikon Si a =5.431A dan Germanium Ge a

=5.6573A [17]. Gambar 2.1 menunjukan struktur properties lattice pada Silikon dan Germanium. Ketika terjadi percampuran Silikon dan

Germanium maka lattice constant Silikon-Germanium sesuai dengan

persamaan berikut;

BAB II

(23)

7

Dari Gambar 2.1 dan 2.2 diatas dapat diketahi bahwa konstanta

lattice Si9e berbanding lurus dengan bobot Ge pad.a campuran SiGe.

Nilainya terletak antara konstanta lattice Si (0,54307 nm) dan Ge (0,56575 nm). Jika lapisan SiGe yang mempunyai konstanta lattice lebih. besar diturnbuhkan di atas substrate Si, konstanta lattice yang lebih kecil maka

(c)

Gambar 2.2a, 2.2b dan 2.2c. Energi bandgap (Eg), Lattice, Mole Fraction pada Silikon-Germaniurn [1][17]( 18]

0.5

o _0.1 0.2 0.3 o.4 o.e 0.6 0.1 o.e o.s

Mole Fn!lc'ion f1') 0.7 B A 0.9 N D a o.e A p 0. 0.95 E N E 1.05 R G I 1. I'.. $1 . ' 1, ~

.

"

r-,

_~·

_-

.,

.

---

i--

-

__ _::'l .. u· .,·-

r-,

...

,

5 '~ e

r-,

,3G9<)··

r-,

5

r-.

7

"

5 0. 1.15 (b) (a) lATITICE CONSTANT 0.2 0.4 0.6 0.1 LO Ck~x Oc l;lrl E ~ .e N _I E R G I B A N 0 G A p

•

_l5

_...

bandgap (Eg) pada SiGe jika prosentase Germanium diatur dari 0% sampai dengan 100%.

(24)

8 Lap Jundamental _2009 _toss in

Lapisan SiGe yang ditumbuhkan ~elebihi ketebalan tertentu yang disebut ketebalan kritis (critical thickness) maka diperoleh lapisan SiGe

unstrained atau relaxed yang mempunyai sifat berbeda dari lapisan SiGe

strained. Dari eksperimen diketahui bahwa ketebalan kritis lapisan SiGe

dipengaruhi oleh temperatur penumbuhan, kecepatan penumbuhan, dan adanya lapisan penutup (cap layer) Si di atas lapisan SiGe.[Bufler,1997] -

.• .

Gambar 2.3 Skema lapisan SiGe yang ditumbuhkan di atas substrat Si [1]

Collector

(bulk Si substrate)

Emitter (cap Si layer) Si atoms Ge atoms Misfit dislocation Bhse (relaxed Si,_Ge0 layer) Misfit dislocation SI Defects ;;

\

\ J

I

Relaxed SiGle Strained SIGe SI

lapisan SiGe akan mengalami tekanan (strain) sehingga disebnt lapisan

SiGe strained atati pseudomorphic seperti diperlihatkan pada Gambar 2.3.

Tekanan ini mempengaruhi struktur pita energi clan dengan demikian juga mempengaruhi sifat transportasi elektorn lapisan SiGe.

(25)

9

2.2 [unction Heterostruktur Silikon-Germanium ( SiGe).

Heterojunction semikonduktor mempunyai sambungan yang dibentuk antara dua material semikonduktor yang tidak sama lattice nya,

Gambar 2.4 Ketebalan kritis sebagai fungsi fraksi Ge (20]. Gennanium Fraction 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1nm Pseudomorphlc

''/Oo

...

t. ·.[

... / ....

,3 • ' r

,

...

A

...

..._..

....

..::.

-

--

:....·

_---

-

... ..:::..

--

"'

CJ c ~ ~ 100nm '- e, ..9 c; 10nm ~ (.) People-Bean Matthew-Blakeslee Van Der Merwe

Bean et al • Kohama et ol. King et al.

•

tµm Mtsflt("l 3 2 1 0

.

akan mendekati Energi pada Silikon.

Hal yang sangat penting yang perlu diperhatikan dalam konstruksi SiGe ini adalah ketebalan kritis. Rangkuman dari hasil riset yang mengenai ketebalan kritis terhadap sebaran Germanium pada SiGe telah dilakukan oleh People-Bean, Matthew-Blakeslee,Van Der Marwe dan lain -lain sesuai Gambar 2.4 yang mana hasil penelitian tersebut yang dirangkum oleh J.S Yuan [20]. diperlihatkan pada Gambar 2.2.

Hubungan lattice terhadap mole fraction (x) pada Si(l-x)Ge(x) akan berpengaruh juga pada besanya energi bandgap. Seperti ditunjukan pada Gambar 2.2c diatas, menunjukan hubungan energi bandgap (Eg) pada Si(l-x)Ge(x), ketika x mendekati O(nol) maka besamya energi bandgap (Eg) mendekati nilai Eg pada Ge dan ketika x

=

1, maka energi bandgap

(26)

10 Lap Jundamental _ 2009 _Jossin

Tegangan pada titik pertemuan semikonduktor (junction ) dapat dicari berdasarkan pada Gambar 2.6 di bawah ini.(22][2]

Gambar 2.5 Tipe Sambungan Heterojunction.

(e) Broken Gap Heterojuetlon

Ev Ee

Ev---

Ee

---

(b) Staggered Heterojuctlon Ee

---

Ee Ev _

(a) Staddling Heterojuetlon

Ev

Eo---

Ev---

Ee

jika kedua semikonduktor mempunyai tipe konduktivit~s yang sama

maka sambungannya . disebut isotype heterojunction dan jika

konduktivitasnya berbeda disebut anisotype heterojunction, beberapa contoh heterojunction semikonduktor adalah AlxGa t-x , Si 1-x Gex atau Silikon Carbide (Si 1-x Cd, ).

Junction hetrosteristruktur pada heterojuction semikonduktor terdiri ; Straddling, Staggered dan Boken Gap Heterojunction, seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.5 berikut; (21]

(27)

11 (2.3)

Lap Jundamental _2009 _tossin Vbi

=

(f)sP - (f)sN

eVbi

=

[e,wl + Egp-(EFP -Evp)]-[ezn -Egn-(EFn -E..,)] (2.2)

. eVbi

=

e<[ezni - Znz) + (Egp -Egn) +(EFn -EPn)-(EFP -Evp)] persamaan dapat disederhanakan seperti;

e Vbi = -L\.Ec +Mg+ kT

tnl

N

vn ]-

kT

tnl

N

vp]

"l

r:

"l

p

po ~ ppoNvn] eVbi= L\.Ev+kT pnoNcn L\.Ev

=

e Vbi-kTln[ppoNvn] pnoNcn (2.2) !).Ee

=

e (z n - X P)

!:!..Ee +!:!..Ev = Egp - Egn = l:!..Eg

l:!..Eg= Bandgap Narrowing (energi bandgap)

pada sisi sambungan dapat diturunkan sebagai berikut; Garn.bar 2.6. Bandgap Straddling Heterojunction.

X=Xp X=O X=-Xn EvP EvN EcPE /;\ ! ! M:v

'1t

EcN

--

EfNE eVbi I]'\ ... .Y. ~- .. ~-·/ /;\

I

_!

---L--- ---

i

-

EfP !

I

M:c 'V - - - _;.,-:..1"--·---~-·---·---·-- - - - . .... eVbip --- _/;\ eVbin !

(28)

12

Lap _fundamental _2009 _tossin

heterostruktur. Bandgap narrowing terjadi karena adanya diskontiniuitas dan mole fraction (x) bahan konsentrasi doping yang tinggi

Dari Gambar 2.7 ditunjukan skematik energi bandgap pada hubungan heterostruktur, dua (2) faktor yang menyebabkan adanya Bandgap yaitu

Gambar 2.7 Pita konduksi pada sambungan Heterostruktur.

Bue -- (p) Emitter w

t

T~

Buriorfor Eleou-on injection (2.5) !).Eg

=

!).Ee + !).Ev

!).Eg

=

ktLn [ p po N vn ] + kT In [ p po N vn ]

pnoNcn pnoN en

Dengan substitusi persamaan (2.4) ke persamaan (2.2) maka L\Eg= Bandgap ( energi bandgap ), dapat dituliskan sebagai berikut;

( 2.4)

· eVbi

=

-A Ee

+

ktLn [ P.,"N,,n]

r:»:

b.Ec = ktLn [ PP"N,,n ]- el/b:

r:»:

Ppo dan Ppno adalah hole concentration pada P dan n material, sedangkan pada n-P material tegangan built in potensial barrier (eVbi) adalahsbb;

(29)

13

Lap Jundamental _2009 _Jossin

2.3 Energi bandgap pada HBT SiGe (Silikon Germanium).

Dua(2) pola sambungan pada heterojunction yang tetjadi yaitu abrupt dan graded junction, kedua pola ini terjadi karena bentuk sebaran mole fraction berbeda. Sebaran mole fraction untuk abrupt junction sifatnya uniform disetiap luasan sambungan sedangkan untuk graded junction

sebaran mole fraction berbeda disetiap luasan sambungan. [Sze S.M ,1981]

Material Sh-xGex , x disebut faktor mole fraction yang menunjukan seberapa jauh pencampuran Germanium pada Silikon tetjadi dan hal ini

akan mempengaruhi energi bandgap.. Energi bandgap · pada HBT dipengaruhi oleh parameter NB , yaitu konsentrasi Doping pada basis (1019 cm2), x (mole fraction) pada Si(l-x)Gex (%).

Pada bahan SiGe, penambahan Ge pada Si menyebabkan tetjadinya

·penyempitan celah pita energi (bandgap narrowing). Besarnya penyempitan celah pita energi ini dipengaruhi oleh banyaknya fraksi Ge yang digunakan seperti dinyatakan oleh Persamaan (2.6). Penyempitan celah pita energi pada bahan SiGe hampir seluruhnya ietjadi pada pita valensi, Diskontinuitas pada pita konduksi sangat kecil dibanding penyempitan celah pita energi secara keseluruhan sehingga dapat diabaikan .

Celah pita energi merupakan parameter fisika yang sangat menentukan unjuk ketja HBT, terutama unjuk ketja DC (Direct Current).

Energi bandgap ini disebut energi bandgap karena pengaruh mole fraction (x) atau juga disebut energy bandgap narrowirig (Mg.Ge) . beberpa model matematika dari Mg.Ge yaitu ,model penyempitan celah

energi yang dikemukakan oleh (10] [ 12] yaitu:

energi pada pita konduksi dan pita valensi akibat penggabungan semikonduktor dengan komposisi struk.tur pita energi yang tidak sama, dua (2) bentuk pola sambungan pada heterojunction yaitu pola abrupt dan graded junction.

(30)

14

Gambar 2.8 Energi bandgap vs fraksi Ge (32]

25 10 15 20

Ge composition (%)

5

Selain tetjadi karena penambahan Ge pada Si, penyempitan celah pita energi pada bahan SiGe juga tetjadi jika SiGe diberi konsentrasi

doping yang tinggi (heavy doping), seperti yang tetjadi pada Si. Model

30 (2.7)

••

_•

.. 9 .. ·6 .. ·· v ... ···o ... ··· o-" .. ··

.·

~-·

~-·:::::o~;::~~

al. (1989)

..

::··· ,:::•" o~··;._,...._--1;._,_._~....___.~_._~..___,.~_._~._--~~ 0 c Ni et al. (1987) A <> King et al. (1989) <> v Wang et al. (1989) A c A Nauka et al. (1992) ₀ 0 Brighten et al. (19S3)

•

Gan et al. (1994) A so > w <3

>

Q)

g

100 ' 150 200 !)..Eg Ge =

a .x

a=8.7xl0-3eV

Pada Gambar 2.8 diperlihatkan data eksperimen yang

menunjukkan besamya diskontinuitas pada pita valensi sebagai fungsi fraksiGe.

dengan !ill g,oe penyempitan celah pita energi akibat penambahan Ge, dan

x persentase Ge (fraksi Ge). Persamaan 2.6 berlaku untuk persentase (x)

Ge kecil. Model lain dari pemodelan Energi bandgap yang disebabkan diskontinuitas pita valensi yang diakibatkan oleh penambahan fraction mole (x) germanium [ 11]

(2.6)

(31)

15 Lap Jundamental _ 2009 _tossin

analisis dari data sekunder dan N konsentrasi doping. Gambar 2.9 ,

menunjukan hubungan Energi bandgap akibat doping tinggi (heavy Doping) terhadap Konsentrasi Doping pada Basis, yang dibandingkan

dengan pemodelan Sze dan Hueting. (26]

(2.10)

Mg,hd

=

a0 In( a, .~011) eV

/JE g,hd penyempitan celah pita energi, ao dan ai konstanta berdasarkan

Atau model yang telah dikembangkan melalui beberapa analisis matriks- diterminan sehingga menghasilkan matematik pemodelan sesuai pada persamaan 2.10 .

(2.9)

eV ( NE

I"

!!. E 8 ,1it1

=

22 .5 iQ"i8

dengan Mg,hd penyempitan celah pita energi, C1 dan C2 konstanta, dan N

konsentrasi doping.

(2.8)

penyempitan celah pita energi akibat konsentrasi doping y~g tinggi yang

umum digunakan pada Si dan SiGe adalah model persamaan 2,8 (20] dan

(32)

16

(2.12) x

=

MoleFraction

N

=

Konsetrasi _Doping

m.eV

Egs1oe

=

2.89+4.14x-2.10-19 log(N)

Dengan pendekatan regresi non linier maka pemodelan energi bandgap pada SiGe , yang yang disebabkan fraction mole (x) dan doping konsentrasi pada Basis ditunjukkan pada Gambar 2.10 sesuai dengan persamaan model 2.12 [ -18].

(2.11) .eV

Dengan demikian energi bandgap (Eg) pada HBT SiGe merupakan gabungan dari energi bandgap karena fraction mole '(x) dengan.energi bandgap (eg) akibat doping tinggi pada basis.

EgSiGe = flEg,Ge

+

flEg,hd

Gambar 2.9 Energi Bandgap vs Doping Konsentrasi [ 26]

0'----~~~~_._..._ __ ~--~_._~ ... 1011 1010 1024 Doping concentration (cm-3) 0 Sze/ / / /

o Experimental data / /Model used by ~!'~g:

/ ..

-

---

· -

-/ _.-·(5 0 --·-0· 0 n l ___ .,,,.... v ~~OU.model ... 0 I I / 5' 200 l z (!) ID 150

...

~ .s .[ 100 .g

j

50

(33)

17 Lap _fundamental_ 2009 _tossin

Secara um.um skema operasi transistor bipolar NPN diperlihatkan pada Gambar 3.1. Pada Gambar 3.la diperlihatkan distribusi arus _pada transistor bipolar dengan (1) arus kolektor, (2) komponen rekombinasi arus basis dan (3) komponen difusi arus basis. Pada Gambar 3.lb diperlihatkan distribusi pembawa muatan. .minoritas pada transistor bipolar homojunction dan Gambar 3.lc pada transistor Heterojuction. Daerah yang diarsir adalah e-b scr temiiter-base space charge region) dan b-c scr (base-collector spacecharge region).

24 HBT SiGe (Silikon Germanium).

2.4.1 Komponen Pembawa Muatan Intrinsic pada HBT SiGe. Gambar 2.10 Energi Bandgap vs Mole Fraction, saat Nb =_ 1019 cm 3

10 20 30 40 50 60

Bobo! Gennanium (Ge) dalam Si(1-x)Ge(x) ~( °lo)

0% I

*

• ' 0 :

--

--~

---

O---~---

--

-t

-

---

1 ' 0 I I

*.

•

I I I - - - •j_ - - - ·- - - - ~-- - - - ~ - - - ~ - - - - - - - ·~ I ~ ~

.

' ' ' ' I I I I I - ·- - - - ; - - - -:- - - - - - : - - - i}ejcinOviC - - - -:- : •• :.~ - - - - I I I I

l

j•' I I I ' •• ••1 I I • I ••• • - - - - - ~ - - - - -:- - - -0-- - - - -- - - - - - - -: - - ••••• ~ - :- - - - - I I I .•• ..---+-- I . I ~ J'' <I ' Model I I •• •• I : A •••• • : : - - - - - - - i - - - - - -.- - - - - - - - - - •••• - - -. - - - - - - - -1- - - - - - - - > _.,

,

250

1200

i 150 ~ g. .g> 100 5 .c

e

_., c w 50

(34)

18

L:

Pada Transistor Bipolar Homojuction Gambar 3.lb, dengan memberi tegangan maju (forward bias) pada dioda emiter-basis (e-b) dan tegangan balik (reverse bias) pada diode basis-kolektor (b-c) elektron emiter diinjeksikan pada basis dan mencapai kolektor. Konsentrasi elektron n yang diinjeksikan pada basis netral yang terletak dekat e-b SCR memenuhi persamaan 2.13 [5]

(b)

Gambar 2.11 Skema Operasi Transistor Bipolar (a) dan Heterojunction

Bipolar (b) · ·

nls.r:..

(q

V .BB ) --exp -- Nzi kT (a) nl

(qV..l!ll')

NJJ exp kT 1

<

2 3

I

A p Basis N Kolektor N Emit er

(35)

19

Gambar 2.12 adalah rasio konsentrasi pembawa muatan pada basis yang berbeda antara HBT dan BJT, pada HBT nilai konsentrasi muatan berbanding langsung dengan nilai energi bandgap (Eg) yang diakibatkan oleh komponen basis SiGe.

Peningkatan tu menyebabkan peningkatan injeksi elektron, yang menyebabkan peningkatan densitas arus kolektor untuk VBE yang sama.

Gambar 2.12 Konsentrasi Pembawa muatan (n) pada basis

xd, ~o•• - - - --r- -1- r TT r1,- - - -.---.- ,.-1-i-1-1-i ·- - - ,- -r-1-T,, T I I I I I Ill I I I 1111 I •I 111 I I I I Ill I I I 1111 I I I 111 I I I 1111 I I I I I 1111 I I I I I 111 _t_ L J. J.LU-- --L- J _J. _t_l_l_l.J L--- .J_ ~.L _I_ .l .J .J .l I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I II I I I I 111 I I I I I I I I I I 1111 I I I 1,.J I I I I I 1 I I I I II I I I I I I I I I I rn----r-,-T~-rn,r---,--r-rT,,T I I I I I I I I I II I I I I 11 I I I 111 I I I I Ill I I I I I 111 I I I I 111 - - , - - r -1- r "T T ,. ,, - - - - r - .., - .,. -1-1-1-1, r - - - 1 - - r -1- T "1 ., T I I I I I I 11 I I I I I 111 I I I I I I I I I I 111 I I I 1111 I I I I 111 I I I I I I Ill I I I I I 1111 I I I I I 111 _ J __ 1 __ 1_ 1. .1 iLIJ __ .. _1 __ .J_ .l _l_l_l_lJ L J __ L _t_ .1. J ..l J. I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 11 I I I I I I I I I I I I I 1 I I I 1 II I I I I I I I I I I II I I I I I I I I I I I 11 l 1 I I I II I I I I 111 I I I I I II I I I I Ill I I I I II I I I I 1111 I I I I II I I HBT I : : : : ::: I I : : : :::: I I : ... BJT

___ ..t __ L_I_ L .1.1 LIJ L _ _J _ _l_l_l_U.J L ..1 __ L _I_ .1_.I ..I 1.

I I I I I I Ill I I I I 1111 I I I I I 111 I I I 111 I I I I 111 I I I I II I (2.14) n2

=

n2 exp(l1Eg,G•

J

1,SiGe 1,SI kT

Ce pada Basis menyebabkan celah pita_energi yang lebih sempit sehingga akan meningkatkan arus kolektor, celah pita energi yang lebih sempit pada basis Ge mengakibatkan peningkatan konsentrasi pembawa muatan intrinsik (ni). Dengan demikian maka konsentrasi pembawa muatan n

pada HBT SiGe akan memenuhi persamaan 2.14 . [ 22][2]

(2.13)

n

=

n; exp(qVnE)

N8 kT

(36)

20

2.4.2 Mobilitas Elektron pada HBT SiGe.

Pada transistor bipolar npn, mobilitas elektron mempengaruhi nilai efisiensi emitter dan frekuensi cutoff, sedangkan mobilitas hole menentukan nilai resistansi basis. Pada Gambar 2.14 diperlihatkan

. mobilitas elektron dan hole sebagai fungsi konsentrasi doping pada Si. Semakin tinggi konsentrasi doping semakin tinggi harga mobilitas minoritas dibanding mobilitas mayoritasnya. Pada konsentrasi doping 1Q19

cm-3, mobilitas minoritas elektron dan hole sekitar dua ka1i lebih tinggi dibanding mobilitas mayoritasnya .

. Secara umum hasilnya adalah sebagai berikut : pada konsentrasi

doping kurang dari 101s cm-3, mobilitas lapisan SiGe strained lebih rendah dari Si dan semakin besar fraksi Ge semakin rendah mobilitasnya. Pada Garn.bar 2.13 adalah rasio konsentrasi pembawa muatan pada emiter antara HBT dan BJT, pada HBT nilai konsentrasi muatan berbanding langsung dengan nilai energi bandgap (Eg) yang diakibatkan oleh komponen basis SiGe dan Doping yang tinggi pada tinggi pada emiter.

Gambar 2.13 Konsentrasi Pembawa muatan (n) pada sisi emitor.

I I I I I I I I I I I I I I I I I I rrrr,-,--r--r---rrrrr,-,--r- r--- 1 I I I I I I I 11 I I I I I I I I I I I I 11 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

~~

~·

~

-~-

-·--

--

-~~~~·~-~-

---·----

-

.I I I I I I I 11 I I I I I I I I I I I I I I I I ~ I ~ " .e c:0.5 I I I I I I I I I I I I

..

it ~ 1.5

..

a. lO 3.5x _{I I}10 _I ₁₁ _{I I}_I _I _I I I I I I I I I I I I I I I I I I ".' 3 :_ :_ ~ ~ _: _ ~ - - :_ - - ~ - - - ~ :_ :_ :_ ~ _: _ ~ -

-

1--

HBT

t

- -

E I I I I I I I I I I I I I -arr ~ : : : : : : :: : : : : : I i2.s

:

-

:

-

:

-

+

-:-

-

-:---

--

---

~

:-

:

-:-

t-:

-~-

-:---+

-

--

-

,S I I I I I I I I I I I I I ; : : : : : I 11 I I LI I ~ 2 ,- .- C T -,- - - ,- - - I I I I I I I I I I I I

(37)

21

(2.15)

dn

Jc =qDnB-

dx

2.4.3 Densitas arus Kolektor dan Basis (Jc,

Jb).

a) Densitas Arus Koletor (Jc)

Tanpa memperhitungkan pengaruh rekombinasi, densitas arus kolektor Uc) dapat dinyatakan dengan

(b)

Gambar 2.14 Mobilitas elektron dan mobilitas hole pada Si [23] (a) mobilitas elektron dan (b) mobilitas hole [27]

donor concentration (cm-3) ----

..

1~

300

"I.•

....

o Oziewior and Silber

... • Burk and de la Torre

.... • Mertens et al.

'"?.. c del Alamo et al.

'• ••Wang et al. '•... - majority mobility

·-- fit del Alamo

o"•, - model calculation

.

.-

...

_....

-

Cl) >- 0~ 200 .c ::0 >-O

·§

E 100 c

e

(a) acceptor concenir~iion (cm-3) ---- 1()20 1019 1018

• Dz:iewior and Siiber "' Tano • Swirhun et al. -· majority mobility ·-- fit Swlrhun - .model calculation

·.

• • e,

'"

e,

...

e,

...

_....

~

....

_

.

---..-·-

•

I

700 600 500

-

NIW

_6>

400

-

c: ~ 300 O·-

:: :c

~ 0 ₂₀₀ mE ]::.- ₁₀₀ -;: 0 c ₀ E ₁₀₁₇

konsentrasi doping lebih dari 101s cm-3, mobilitas lapisan SiGe'strained lebih

(38)

22

Gambar 2.15 Rasio HBT dan BJT untuk Jc.

~~~~!!~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~I~~~~~~! -_:::::r:::::::J:::::::~:::::::~::::::::c:::::::

---

~

---

~--

--

---

~

----

-

-~---

-

-~

---

-

10 .. ~--~---~---~---~---~--~ 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 VBE (Volt) 101

dengan a perbandingan density of state pada pita konduksi dan pita valensi antara SiGe dan Si. Rasio Jc HBT dan BJT ditunjukan Gambar 2.15

(2.17)

D an: e<M s- no+AE •• a.>tkT { ( ~ ) }

J

=

q nB 10 exp q BE - l

C.HBT N

w.

kT

B b

dengan

wb

lebar basis netral.

Besamya densitas arus kolektor pada HBT SiGe dipengaruhi oleh profil Ge pada HBT tersebut. Untuk HBT SiGe dengan profil Ge segiempat, densitas arus kolektor.(29}

(2.16)

dengan DnB konstanta difusi elektron pada basis. Untuk basis pendek (short base) dan diberi doping secara merata, persamaan di atas dapat dinyatakan sebagai berikut;[ 28] [ 29) :

Jc=- qDnon?

{exp(qVns)-1}

(39)

23

dalam skala logaritma sebagai fungsi tegangan basis-emiter VBE umum

digunakan untuk memperlihatkan perilaku DC transistor bipolar.

Gambar 2.16 adalah Rasio Jc HBT dan Jc BJT, pada VBE rendah, tetjadi

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

(2.21)

/3=Ic =Jc

lg Jg

dengan le arus kolektor dan lB arus basis.

Gambar 2.16 adalah rasio kurva arus kolektor le dan arus basis le

dengan 'tnB umur elektron pada basis.

Penguatan arus de pada transistor bipolar didefinisikan sebagai

(2.20)

dengan Ne konsentrasi donor dan We lebar emiter netral.

Pada HBT SiGe, terjadi peningkatan arus rekombinasi pada basis netral terutama untuk fraksi Ge yang tinggi , arus rekombinasi pada basis

netral dinyatakan sebagai berikut [1]:

J

= -

qn,2Wb exj qVgE)

g,ret 2N g t: nB \ kT

(2.19)

diberi doping secara merata, persamaan di atas dapat dinyatakan sebagai

berikut:

(2.18)

dp

J g,dl/

=

qD pE dx

dengan DpE konstanta difusi hole pada emiter. Untuk emiter pendek dan

b) Densitas Arus Basis (Jc)

Ams basis terdiri dari arus difusi dan arus rekombinasi, persamaan

(40)

24

2.4.4 W aktu tunda dan Frekuensi Cutoff.

- Untuk menjelaskan frekuensi cutoff dan waktu tunda dari HBT dapat digupakan skematik

diagram yang ditunjuka olah Gambar 2.17

Gambar 2.16 Rasio Jc dan

Jb

HBT ..

0.15 O.t 0.55 V BE (volt) o.s 0."8

mempunyai kemiringan yang sama. Umumnya transistor dirancang untuk bekerja pada daerah linear. Pada VBE .tinggi, tetjadi penurunan

kemiringan arus kolektor yang disebabkan antara lain oleh tingginya injeksi elektron pada kolektor dan resistansi seri pada basis.

(41)

25

Waktu tunda total

r;c

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-collector space charge region) dan kolektor seperti diperlihatkan pada Gambar 2.18. (30]

(2.22)

1

f, =--

2n-i-.c

Frekuensi cutoff atau frekuensi transit

fi

merupakan suatu ukuran untuk menyatakan unjuk kerja transistor dan didefinisikan sebagai frekuensi pada saat penguatan arus CE (common emitter) sama dengan satu . Frekuensi transit ini dapat dihubungkan dengan struktur transistor, yaitu melalui waktu tunda dari emiter ke kolektor 'rte • Hubungan antara frekuensi transit dan waktu tunda adalah:

Cambar 2.17 Skematik waktu tunda HBT.

doLECTOR I EMITTER NOC.WC v NAB.WB NOE.WE

(42)

26

(2.32) (2.31) kT rE=- qfc C

=

qJB Wi diff,e kT 2D pE dengan (2.30) x f' =-d c 2vs (2.23) (2.24) (2.25) (2.26) (2.27) (2.28) (2.29) [22].

Komponen waktu tunda dapat dihitung dengan Persamaan [30] Gambar 2.18 Struktur transistor bipolar beserta komponen waktu tunda.

'te

'tebl 'teb2

c

(43)

27

(2.35) (2.34)

Garn.bar 2.19 . Kontribusi konstanta waktu terhadap waktu tunda terhadap tac (30).

Yang mana persamaan -persamaan konstanta waktu pada Emitor, basis dan kolektor dapat ditursunkan sebagai berikut (30]:

I ,.

's

I•

'c

~

..

...

.

t ...

_r

_····

_-

_·•·t

I•

•

I

'E

,.

A T •

i-ec waktu tunda total dari emiter sampai kolektor,

i-e waktu tunda pada emiter netral, sering disebut waktu transit emiter,

i"ebl waktu tunda yang disebabkan oleh perkalian TE dengan CEo •

?"eb2 waktu tunda yang disebabkan kelebihan muatan pada e-b scr,

ii, waktu tunda pada basis netral atau waktu transit basis,

Thcl waktu tunda yang disebabkan oleh perka}.ian TE dengan Csc,

tbc2 waktu tunda yang disebabkan oleh re dengan Csc,

i-c waktu tunda kolektor,

TE resistansi difusi emiter,

Cdiff,e kapasitansi difusi emiter,

Cdiff.b kapasitansi difusi basis,

CED kapasitansi deplesi pada sambungan e-b (e-b depletion layer capasitance),

CEN kapasitansi netral pada sambungan e-b (e-b neutral.capasitance),

Csc kapasitansi deplesi b-c (b-c depletion layer capasitan'ce),

Xd lebar daerah deplesi pada sambungan b-c

(2.33)

C _qlc Wi

dlff,b - kT 2D nB

(44)

28

2.4.6 Tegangan Breakdown.

. 10

0.1 1

le (mA)

Gambar 2.30 Kurva

fi

dan

/max

sebagai fungsi ams kolektor (20] At=0.5x2.5 µmt.

R.ic12 kQ/o

60

dengan Rs resistansi basis dan Cbc kapasitansi sambungan basis-kolektor.

Untuk memperoleh

f

max yang tinggi

fi

harus tinggi sedangkan Rb dan Cbc

harus rendah. Contoh kurva

fi

dan /max sebagai fungsi arus kolektor

diperlihatkan pada Gambar 3.2. Dapat dilihat bahwa pada arus kolektor rendah, baik

fi

maupun

/max

mengalami peningkatan jika le bertambah. Kedua kurva mencapai maksimum pada le sedang, dan pada le tinggi

fi

maupun/max mengalami penurunan meskipun tetjadi kenaikan le.

(2.38)

( )

112

fmax

=

s1c

b be

2.4.5 Frekuensi Osilasi Maksimum.

Frekuensi osilasi maksimum dapat dinyatakan dengan [11]

(2.37) (2.36).

w.

T•=- 2v.w.

(45)

29

dengan n adalah konstanta empiris yang besamya antara 3 dan 6 dan

p

adalah penguatan arus.

(2.40)

dengan adalah es permitivitas semikonduktor, E adalah medan listrik, q

adalah muatan elektron dan Ne adalah konsentrasi doping pada kolektor.

Hubungan antara BV cEO dan BV cso dapat dihitung dengan

Persamaan (2.10) [31] berikut:

Bv. _{CEO -}_ BVcso _Hln

'VP

(2.39) Pada transistor bipolar ada dua jenis tegangan breakdown yaitu

tegangan breakdown pada kondisi emiter terbuka (open emitter) BV cso dan

pada kondisi basis terbuka (open base) BV CEO· Besamya BV cso dapat

dihitung dengan Persamaan (2.39) (31] berikut:

e E2

BVcso

=-s-

(46)

(47)

30

Lap _fundamental_2009 _tossin

3.2.Manfaat.

Manfaat dari penelitian ini untuk didapatkan formulasi empiris dari Rancangan HBT Sic1-x)Gecx), mengenai penaturan profil Germanium graded pada terminal basis. Data pemodelan didasarkan dari sejumlah hasil penelitian yang telah dipublikasikan melaui

Jurnal

IEEE on Electronics Devices. Manfaat dari hasil penelitian ini adalah memperkaya khazanah model rancangan HBT SiGe yang saat ini dikembangkan oleh beberapa negara maju.

Manfaat lainnya adalah sebagai salah bahan kajian disertasi, yang mana

.

-

saat ini penulis sedang melanjutkan Program Doktor/53 di Universitas Indonesia bidang T. Elektro dengan topik disertasi yang diajukan Novelty Hetrojuction Silikon-Gedrmanium (HBT SiGe).

3.1.Tujuan

Tujuan dari penelitian ini adalah ~~ mendapatkan II Pemodelan

Heterojunction Bipolar Transistor ( HBT) Si I Si 1-x Ge; Berdasarkan

Pengontrolan Profile Graded Silikon dan Germanium pada Basis"

Parameter yang diamati adalah pengaruh Profile Graded , doping emiter

terhadap kinerja ~ Heterojunction Bipolar Transistor ( HBT) Si I Si r-x Si<1-x)Ge<x>.

Dari penelitian ini akan dihasilkan pemodelan HBT Si I Sic1-x)Gecx).·

Pemodelan menggunakan software rancangan HBT hydrodinamik yaitu Bipole3 sehingga paramater karakteristik keluaran dapat teramati natar lain

current gain dan frekuensi respon. Adapun tujuan lain dari penelitian ini

mengembangkan pemahaman mengenai rancangan HBT SiGe yang sekarang sedang dikembangkan oleh IBM, sehingga dapat- menghasilkan beberapa artikel ilmiah dapat diajukan pada seminar Nasional ataupun jurnal ilmiah serta dapat memperkaya materi buku ajar dalam memahami devais elektronika.

BAB III

(48)

(49)

31

DD= drift-diffusion, ET= eri.ergy-transp'ort, HD {hydrodynamic Rigorous Stanford University Medici inc Silvaco Optical interface Bipsimlnc.

ISE, Trap modeling Electrothermal Atlas-Blaze3D' DD, HD lD, 2D, 3D APSYS DD,ET 2D Bipole3 DD, HD Quasi Dessis DD, HD, MC lD, 2D, 3D FIELDAY DD 2D,3D Jungenmann DD,HD,MC 2D Pisces DD lD, 2D MEDICI DD,HD 2D Minimos-NT DD,HD 2D,3D

Sentaurus Device DD, HD, MC lD, 2D,'3D Synposis

Taurus Medici DD, HD 2D Synopsis

Nama Software Model Dimensi Features & Developer

matematis

Tabel 4.1 Program simulasi divais yang dapat digunakan untuk HBT SiGe[24]

Simulasi komputer digunakan untuk mengoptimalkan karakteristik dan unjuk kerja rancangan divais secara teoritis.yaitu hasil kajian teoritis

ini dapat sebagai model divais, dari model ini kemudian dilakukan

pengkajian lebih lanjut sebelum proses fabrikasi dilakukan. Ada 3 (tiga)

pendekatan metode simulasi dalam penyusunan model divais dari

rancangan HBT SiGe, yaitu pendekatan metode transportasi drift-difusi (DD), metode hidrodinamika (HD) dan pendekatan metode Monte-Carlo

(MC). [24]. Tabel 4.1 adalah state of the art prqgram simulasi divais yang

umum digunakan dalam penyusunan pemodelan HBT SiGe.

BAB IV

(50)

32

Pada riset ini digunakan perangkat lunak komersial, yaitu program

simulasi numerik Bipole3v.5.3.1G yang khusus dibuat untuk transistor atau

bipolar divais lainnya yang berbasis Si dan SiGe. Dalam pola rancangan

divais HBT, Bipole3 menyediakan rancangan double basis contact , hasil

investigasi M. W. Hsieh pada tahun 2006 Double basis kontak mempunyai

maximum output power yang baik dibandingkan dengan single basis contact,

hal ini menguntungkan karena akan mereduksi contact resistances

Kelebihan lain dari software simulasi ini adalah penggunaan default

parameter yang berdasarkan pada parameter physic HBT SiGe, sehingga mempermudah dalam tahap validasi hasil. Bipole3 dipilih karena

program ini mempunyai hasil akurasi yang baik dalam model matematis

DD dan HD, juga beberapa artikel HBT SiGe pada jumal IEEE di bahas

menggunakan program ini. Bipole3 menyediakan berbagai model

parameter fisika untuk Si antara lain: berbagai model konsentrasi

pembawa muatan intrinsik nc penyempitan celah pita energi sebagai

fungsi konsentrasi doping llE g,hd, berbagai model mobilitas sebagai fungsi

konsentrasi doping dan temperatur µn,p, model kecepatan sebagai fungsi

medan listrik dan temperatur v, rekombinasi SRH (Shockley-Reed-Hall)

dan Auger, serta rekombinasi pada permukaan, sedangkan untuk SiGe, selain model parameter fisika yang telah disebutkan di atas, tersedia model parameter tambahan yaitu penyempitan celah pita energi sebagai

fungsi konsentrasi Ge. Mg.Ge Pada arah vertikal (arah-x), program

simulasi Bipole3 membagi divais menjadi 5 daerah yaitu: 1) emiter netral, 2) e-b scr, 3) basis netral, 4) b-c scr, dan 5) kolektor netral seperti diperlihatkan pada Gambar 4 ..

(51)

33

dengan:

E

=

medan lisirik, q

=

muatan listrik, N

=

konsentrasi doping,

Ntff

=

doping efektif dengan memasukkan pengaruh penyempitan bandgap,

n

=

konsentrasi elektron, p

=

konsentrasi hole, Dn= koefisien difusi elektron,

Dp= koefisien difusi hole, Jn= densitas arus elektron,

f

p= densitas arus hole,

Vd

=

kecepatan drift.

dE

q

dx

N(x)-l(x)

(

4.l)

Pada dasamya program Bipole3 adalah program untuk menyelesaikan persamaan Poisson dan persamaan transportasi: · secara numerik. Persamaan Poisson dan persamaan transportasi yang digunakan pada Bipole3 adalah sebagai berikut,

Gambar 4.1 Profil doping beserta daerah netral dan space charge regi.on. 4 2 3 Regions ···--... ,,... M I

!

c:: .9

E

5 g 8 ~ ·a 0 0 5 x

(52)

34

Lap Jundamental _ 2009 _toss in 4.1. Tahapan Penelitian.

Secara garis besar, tahapan riset yang dilakukan dapat

digambarkan dengan diagram alir pada Gambar 4.1 V alidasi dilakukan untuk memperoleh kesesuaian kuantitatif antara hasil simulasi dengan

data reference. Prosedur validasi yang dilakukan pada riset ini mengikuti

prosedur yang dilakukan oleh Richey, Ada dua jenis langkah Validasi

yang dilakukan yaitu validasi parameter fisika dan validasi dengan reference model HBT SiGe yang telah dibuat oleh IBM. Langkah selanjutnya adalah meneliti pengaruh penskalaan pada dimensi lateral dan vertikal terhadap kinetja ~HBT SiGe khususnya terhadap frekuensi cutoff (fr)dan frekuensi osilasi maksimum (fmaks) dan Noise Figure (Fmin atau

Fn ). Diharapkan dengan mengetahui pengaruh penskalaan dimensi lateral

dan vertikal dapat diperoleh rancangan divais yang mempunyai kinetja lebihbaik.

a). Kegiatan tahun pertama.

Analisa Unjuk kerja HBT SiGe pada tahun pertama digunakan bantuan Software Matlab dan Bipole3 G yang dikembangkan oleh Universitaswaterloo Kanada, dengan parameter atau konstanta lainnya diacu dari penelitian-penelitian yang telah dipublikasikan melalui

Jurnal

IEEE on Electronics Devices, seperti data yang diambil .adalah data yang menunjukkan kaitan Energi Bandgap (.1.Eg) terhadap mole fraction (x) dan doping concentration (Nb), Data-data ini berdasarkan basil penelitian heterostruktur SiGe sebelumnya ..

b ). Kegiatan tahun Kedua

Pada tahun kedua akan dilaksanakan rancangan HBT SiGe dengan bentuan Software BIPOLE3 dengan parameter dan konstanta hasil analisa penelitian tahun kedua, kemudian hasilnya akan divalidasi dibandingkan dengan rancangan lain yang telah dilakukan dan dipublikasikan melalui jurnal IEEE. Gambar 4.2 menunjukkan flow

(53)

35

TAHUN KBDUA

Gambar 4.2 Tahapan Penelitian

~Q. dianv~i Rm\.cmg:m. . HBTSic:n. P~mgti:nKampOMn HBT Sien. du.a.(dim.eNi) TAHUN l'ER.TAMA .Al\.ilisQ. PiilW1 Sien. dmgmProfih

Chded &:ngm~

beroedil.~1hctian:mole (x)

(54)

36

4.2 Luaran Penelitian.

Luaran dari penelitian berupa artikel ilmiah yang akan dipublikasikan pada Jumal terakreditasi baik Nasional maupun Intemasional dan atau sebagai bahan seminar pada tingkat regional. Dengan teori Heterostruktur · pada rancangan HBT yang sekarang sedang dikembangkan maka beberapa asumsi-asumsi dasar pada teori komponen Elektronika dapat berubah, dengan demikian luaran dari penelitian ini

juga dapat memperkaya kegiatan perkuliahan di Politeknik khususnya sehingga dapat memperkaya isi Buku Ajar untuk mata kuliah Devais Elektronika. Hal yang paling penting dari penelitian ini adalah adanya mekanisme fisis pada pergerakan elektron serta phenomena barn pada unjuk kerja komponen elektronika khususnya Y<ID:!? berbahan dasar komponen Silikon Germanium yang dapat diamati dari proses fisisnya serta proses rancangannya yang mana akhir dari Penelitian ini akan menghasilkan Blue Print Rancangan HBT SiGe dengan Pengontrolan Profil Graded pada HBT SiGe.

(55)

(56)

37

Gambar 5.1 Dimensi lateral HBT SiGe model.

Width (microns) 2.5 2 1.5 0.5 0 0 8 10 . ' ontact -- ,...--

-

- Exl .Base -- Base -- ~milter -- c~nector -- Burle 'Layer -- I elation --

-

....__ _~ 2 12 5.1 Model HBT SiGe

Dimensi lateral HBT SiGe model diperlihatkan pada Gambar 5.1,

profil doping diperlihatkan pada Gambar 5.2 dan profil Ge diperlihatkan

pada Gambar 5.3. HBT SiGe model mempunyai luas emiter AE 0,25x10

µm2.

Dengan menggunakan perangkat lunak program simulasi numerik Bipole3v.4.6E yang khusus dibuat untuk. transistor bipolar atau bipolar divais lainnya yang berbasis Si dan SiGe.

BABV

(57)

38

HBT SiGe model mempunyai lebar emiter WE 10 nm, konsentrasi

doping emiter NE. dibuat graded dengan konsentrasi doping maksimum terletak pada sisi kontak emiter sebesar 1021 cm-3• Lehar basis WB 40 nm,

konsentrasi doping basis NB dibuat graded dengan konsentrasi doping

Garnbar 5.3 Profil Ge HBT SiGe model.

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Depth {microns)

-

wb40fl1d Ge Fraction 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Depth (microns)

Garnbar 52 Profil doping HBT SiGe model. wb40fl1d Net Doping 0.14 0.12 0.1 !5 0.08 ~

-

~ 0.06 0.04 0.02 0 0 1e+o16 1e+o17 11e+o19 DI c ·a. 8.1e+018 ti z 1e+o20 1e+o21

(58)

39

0.1

92,7

Lap fandamental _ 2009 _tossin

Gambar 5.4 Kurva frekuensi sebagai fungsi arus kolektor HBT SiGe model.

le (Amp) 0.01 0.001 20

¥

60 Q. wb40fl1d Ft ~Ofl1d Fmax \ \ \ \ \ \ \

'

_'

'

' ' '

_'

'

_'

-

'

' '

I I I I I I I I I I I I I I I \. 0 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~---~~~~ 0.0001 80 1100 2 Volt p BVeEO GHz

/max

maksimum Penguatan arus Tegangan breakdown Frekuensi cutoff

fi

GHz 94,4 Frekuensi osilasi

fi

dan frekuensi osilasi maksimum

Jmax

sebagai fungsi arus kolektor le

diperlihatkan pada Gambar 5.4. Dari Gambar 5.4 diketahui bahwa

fi

maksimum adalah 94,4 Ghz dan

/max

maksimum adalah 92,7 GHz.

Tabel5.1 UnjukkerjaHBTSiGemodelpada VeB= lV.

maksimum terletak pada sisi basis yang dekat dengan emiter yaitu sebesar

1019 cm-'. Lebar kolektor We 350 nm dan konsentrasi doping kolektor Ne

dibuat rata sebesar 3x1017 cm-3. Profil Ge pada basis berbentuk segiempat

dengan fraksi Ge 0,1.

Beberapa parameter penting yang dapat menggambarkan unjuk

(59)

40

Gambar 5.5 Gambar Gummel HBT SiGe model.

0.9 0.85 Q.75 0.8 VBE (volts) 0.7 0.65 a: _1e-005 ~ :9 1e-006

_-

.!::! 1e-007 1e-008 1e-009 1e-010 0.6 0.0001 ' .

---

.

---

....

-

_

..

----

....

_,,,.--

....

--

....

----

....

----

--

....

--

....

_

....

0.001 wb40fl1d Collector Current wb40fl1d Base Current O.Q1 0.1

Gambar -Gummel yang menunjukkan hubungan arus basis Is dan

arus kolektor le dengan tegangan basis emiter VBE diperlihatkan pada

Gambar 5.5. Kurva penguatan arus

p

sebagai fungsi arus kolektor Ic

diperlihatkan pada Gambar 5.6. Dari Gambar 5;5 dan 5.6 diketahui bahwa HBT SiGe model mempunyai penguatan arus lebih dari 1000 kali dan penguatan arus maksimum adalah 1100 kali yang terjadi pada arus kolektor 0,1 mA.