Transistor dalam IC Monolitik #11

Penampang tegak sebuah transistor planar dalam IC monolitik, yang difabrikasi dengan proses epitaksial dan difusi, seperti gambar berikut ini.

Cross section of a monolthic IC transistor

Disini collector terpisah dari substrat secara elektrik karena dioda-dioda isolasinya dalam keadaan reverse biased. Anoda dari dioda isolasi meliputi seluruh bagian belakang wafer, sehingga kontak collector harus dibuat di atas, seperti terlihat pada gambar di atas tadi.

Jadi jelas sekarang, bahwa dioda isolasi dari transistor dalam IC mempunyai dua pengaruh yang tidak diinginkan. Yaitu, dioda isolasi memperbesar kapasitansi shunt yang parasitik pada collector dan memperpanjang jalur arus bocor. Selain itu, keharusan menempatkan sambungan collector di atas dapat memperpanjang jalur arus-collector akibatnya resistansi collector dan V_CE,sat semakin besar.

Semua pengaruh yang tidak diinginkan itu tidak terdapat pada transistor epitaksial yang diskrit, seperti yang terlihat pada gambar berikkut ini.

Cross section of a discrete planar epitaxial transistor

Kemudian, apa gunanya membuat transistor IC monolitik. Salah satunya adalah perbaikan yang signifikan dalam kinerja, karena transistor-transistor dalam IC secara fisik terletak saling berdekatan, dan karakteristik elektriknya hampir padan (matched). Misalnya, spasi transistor-transistor dalam IC sekitar 30 mil (0,03 in), mempunyai V_BE sebesar 5 mV dengan koefisien suhu 10 μV/^oC. Transistor-transistor ini cocok untuk membuat sebuah difference amplifier unggulan.

Karakteristik elektrik sebuah transistor tergantung pada ukuran dan geometri transistor, doping level, jadwal difusi, bahan dasar silikon. Dari semua faktor ini ukuran dan geometri memberikan fleksibilitas perancangan yang terbesar. Doping level dan jadwal difusi ditentukan oleh jadwal difusi standard yang dipakai untuk membuat transistor-transistor yang diinghinkan dalam IC.

Profil Impuriti Untuk Transistor IC Monolitik Transistor dalam IC Monolitik biasanya mempunyai profil impuriti sebagai berikut.

A typical impurity profile in a monolithic IC transistor.
(Note that N(x) is plotted on a logarithmic scale)

Background concentration N_BC (konsentrasi latarbelakang), atau epitaxial-collector concentration, digambarkan dengan garis terputus-putus dalam grafik profil di atas ini. Difusi base dari impuriti jenis-p (boron) dimulai dengan konsentrasi dipermukaan sebanyak 5 x 10¹⁸ atom/cm³, dan didifusikan sampai kedalaman 2,7 μm, pada tempat collector junction terbentuk.

Difusi emitter (fosfor) dimulai dengan konsentrasi permukaan yang jauh lebih banyak (mendekati solid solubility-nya) sekitar 10²¹ atom/cm³, dan didifusikan sampai kedalaman 2 μm, tempat emitter junction terbentuk. Junction ini merupakan titik potong grafik distribusi impuriti base dengan grafik distribusi impuriti emmitter.

Sekarang terlihat bahwa ketebalan base untuk transistor dalam IC monolitik ini adalah 0,7 μm. Emitter-to-base junction biasanya merupakan sebuah step-graded junction, sedangkan base-to-collector junction merupakan sebuah linearly graded junction.

Tataletak Transistor IC Monolitik Ukuran fisik sebuah transistor menentukan kapasitansi isolasi parasitik juga kapasitansi junction. Karena itu biasany digunakan transistor-transistor dengan geometri kecil jika IC itu dirancang untuk bekerja pada frekuensi tinggi atau bekerja pada kecepatan switching tinggi. Geometri transistor dalam IC monolitik biasanya seperti gambar berikut ini.

A typical double-base stripe geometry of an integrated-circuit iransistor. Dimensions are in mils.

Segiempat emitter berukuran 1 kali 1,5 mil, d idifusikan ke dalam daerah base 2,5 kali 4,0 mil. Kontak pada base dibuat dengan dua metalize stripe pada kedua sisi emitter. Rectangular metalized area membentuk ohmic contact pada collector region. Rectangular collectror contact dari transistor ini dapat mengurangi resistansi saturasi. Substrat dari struktur ini berada 1 mil di bawah permukaan. Karena difusi berlangsung dalam tiga dimensi, jadi jelas bahwa jarak lateral-diffusion akan juga 1 mil. Segiempat terputus-putus dalam gambar di atas ini menyatakan daerah substrat dengan ukuran 6,5 kali 8 mil.

Sifat-sifat elektrikal dari transistor ini, baik untuk collector yang dengan resistivitas 0,5 ohm.cm maupun yang dengan resistivitas 0,1 ohm.cm dirangkum dalam tabel berikut ini.

Buried Layer Karena kontak collector-nya berada di atas, transistor dalam IC mempunyai resistansi collector seri lebih besar dari pada transistor jenis diskrit yang sama. Salah satu metoda yang biasa digunakan untuk mengurangi resistansi collector seri adalah dengan jalan membuat sebuah buried layer (lapisan terpendam) jenis-n⁺ yang heavily doping, yang di-sandwiched di antara substrat jenis-p dan collector epitaksial jenis-n, seperti terlihat pada gambar berikut ini.

Utilization of 'buried' n⁺ layer to reduce collector series resistance

Struktur lapisan terpendam dapat dibuat dengan jalan mendifusikan lapisan n⁺ ke dalam substrat sebelum collector epitaksial jenis-n ditumbuhkan, atau dengan jalan menumbuhkan lapisan jenis-n secara selektip, dengan menggunakan masked epitaxial technique.

Transistor p-n-p Lateral Transistor dalam IC yang standard adalah jenis n-p-n, seperti yang sudah dibahas disini. Dalam beberapa aplikasi sering memerlukan transistor baik yang n-p-n maupun yang p-n-p pada chip yang sama. Struktur p-n-p lateral terlihat pada gambar berikut ini merupakan bentuk transistor p-n-p yang paling sering digunakan.

A pnp lateral transistor

Transistor p-n-p ini menggunakan teknik difusi yang standard seperti yang digunakan untuk n-p-n, difusi n yang terakhir (yang digunakan transistor n-p-n) tidak dilaksanakan.

Transistor p-n-p VertikalTransistor ini menggunakan subtrat sebagai collector p, lapisan epitaksial n sebagai base, dan base p dari transistor n-p-n standard sebagai emitter dari transistor p-n-p ini. Seperti sudah dibahas disini bahwa subtrat harus dihubungkan pada potensial yang paling negatip dalam IC. Karena itu, transistor p-n-p vertikal dapat digunakan hanya bila collector-nya bertegangan negatip tetap. Konfigurasi seperti itu dinamakan emitter follower.

Transistor n-p-n Supergain Jika emitter didifusikan sedemikian rupa sehingga mengurangi ketebalan efektip dari base hampir mendekati yang dinamakan titik punch-through, current gain bisa meningkat secara drastis (biasanya, 5.000). Tapi, breakdown voltage berkurang sampai pada harga yang sangat rendah (misalnya 5 volt).

Jika sebuah transistor seperti itu dalam konfigurasi common emitter (CE) dihubungkan seri dengan sebuah transistor dalam konfigurasi common base (CB) di dalam IC standard (sebuah kombinasi seperti itu dinamakan rangkaian cascode), maka diperoleh superhigh gain dengan arus yang sangat kecil dan dengan breakdown voltage di atas 50 volt.

Rancangan Tataletak Transistor n-p-n Untuk rancangan tataletak transistor n-p-n terdapat bermacam-geometri permukaan. Yang dibahas disini rancangan tataletak sebuah single base stripe single collector stripe isolated n-p-n transistor dengan penampang tegak sebagai berikut

Cross section of a single-base stripe single-collector stripe isolated npn transistor

Bila semua isolasi sudah selesai dikerjakan dalam proses difusi isolasi dan seluruh permukaan wafer sudah dilapisi silikon dioksida, maka fabrikasi transistor dalam IC masih memerlukan masker-masker untuk difusi:

• buried layer jenis-n⁺
  
• isolasi jeis-p
  
• base jenis-n
  
• emitter n⁺
  
• window untuk contact
  
• lapisan metalisasi
  

Pada umumnya, kecuali bila diprelukan jarak antar trasistornya yang closed matching, kinerja suatu transistor IC tidak tergantung pada pada geometri permukaan. Karena itu transistor yang palinng sering terpakai dalam IC adalah transistor yang memerlukan luas permukaan yang kecil. Luas permukaan kecil yang diperlukan itu tergantung pada ukuran window yang minimum, lebar line yang minimum, dan toleransi urutan proses yang digunakaan. Untuk transistor npn tunggal (isolated npn transistor) memerlukan satu set masker seperti gambar berikut ini.

A set of masks for npn transistor

Untuk menunjukkan hubungan atara masker yang satu dengan masker yang lain (inter relationship) maka pada gambar berikut ini ditunjukkan dalam susunan superimpose:

Layout of a single-base stripe single-collector stripe npn transistor with buried layer

Musik Pelepas Lelah

#10<==>#12 back

HOME