척척학사의 공부노트입니다!
틀린 부분이 굉장히 많을 수 있으며
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마지막 7주차 내용 정리 및 번역입니다.
1. Physical structure and switching
1) Physical BJT design
지난 주에 배웠던 BJT의 내용은 이상적인 형상을 띄고 있다는 사실을 기반으로 한 내용이다. 실제 웨이퍼에는 이와 생김새가 매우 다른데, 이에 대하여 자세히 다뤄보도록 하자.
일반적으로 BJT는 수직, 수평의 구조를 가지는데 대부분 수직의 형태를 띈다. 일반적으로 도핑은 이온 주입을 통해 웨이퍼 윗부분으로 도펀트를 주입하기 때문에, 표면 주변에서 높은 도핑 농도를 구현하기 쉽다. 그렇기 때문에 이미터가 일반적으로 상단, 그 밑으로 베이스, 콜렉터가 위치한다. 이미터는 웨이퍼 상단으로 바로 연결될 수 있다. 베이스에 배선을 연결하기 위해선 P 영역을 컨택이 상단에서 이루어지기 전에 옆으로 늘려야한다. 이와 비슷하게, 콜렉터 영역도 옆으로 금속 접합을 위해 확장시켜야한다.
이 경우 콜렉터의 저항은 도핑이 낮기 때문에 굉장히 높을 것이다. 이 저항을 낮추기 위해서 하단에 묻혀진 N+ 영역을 추가하고, 이미터 도핑이 진행되는 동안 콜렉터 영역 상단에도 N+ 도핑을 하여 금속과 N- 영역 실리콘간 옴 접합을 구현한다. 마지막으로 BJT를 다른 소자와 분리하기 위해 기판인 P 영역을 활용한다.
상단에서 관찰한 BJT 레이아웃은 다음과 같다. 전체 구조가 굉장히 큰 것에 비해, BJT는 구조에서 굉장히 적은 부분만 차지한다. 많은 영역은 소자의 분리와 배선을 위해 필수적이다. 이러한 물리적인 구조의 이해 후에 트랜지스터 구조의 내부 최적화를 논할 수 있다.
물리적인 구조를 통해, BJT의 수직 방향 도핑 농도를 그래프로 표현해보자. 감마를 최대화하기 위해, 일반적으로 이미터를 가능한 높게 도핑을 한다. 이는 일반적으로 단위 부피당 10^20 개의 범위를 보인다. 베이스는 alpha_T를 낮추기 위해 얇아야 하지만 너무 얇으면 펀치쓰루를 유발한다. Early effect와 펀치 쓰루를 피하고 항복 전압을 높이기 위해 콜렉터는 낮게 도핑되어야 한다. 이는 일반적으로 제조 과정에서 제한되며 일반적으로 10^15의 도핑 농도를 콜렉터에서 보인다. 베이스 도핑 농도는 Early effect에 의한 감마와 출력 저항의 트레이드 오프를 고려하여 선정되어야 한다. 이는 일반적으로 10^17정도의 농도를 보인다. 콜렉터의 하단부는 저항을 줄이기 위해 N+로 도핑된다.
N- 영역의 길이는 또 다른 트레이드 오프를 유발한다. 역방향 전압이 베이스와 콜렉터 접합 사이에서 증가한다면, 콜렉터의 공핍 영역이 증가한다. 만약 N영역이 너무 짧아서 공핍 영역이 최대 작동 전압보다 작은 전압에서 반대쪽 N+ 영역까지 넓어진다면, N+영역의 공핍 영역이 굉장히 작기 때문에 N- 영역의 공핍 영역은 확장을 멈출 것이다. 이는 역방향 전압의 강하를 유발하며, 그 결과 높은 유효 전기장으로 인해 항복 전압을 낮추는 결과를 초래한다. 이는 N+ 영역에 도핑 영역이 맞닿았을 때 발생하며 공핍 영역의 평균 유효 도핑(average effective doping)이 증가하게 된다.
만약 N 영역이 너무 길다면 전자는 높은 저항을 가진 N-영역 내 이동 거리를 남겨둔 채 이동공핍 영역을 떠난다. 이는 콜렉터의 저항을 상당히 상승시키는 원인이 된다.
콜렉터 저항 외에도 베이스 저항이 또한 존재한다. 베이스 전류는 대부분 정공 전류로 구성되며 정공은 접합의 중심에서 전자와 재결합되기 위해 긴 거리를 이동해야 한다. 얇은 베이스 두께로 인해 저항은 꽤 높다. 이 베이스 저항을 낮추기 위해 이미터의 측면 넓이가 베이스 배선으로부터 베이스의 모든 지점까지 거리를 짧게 하기 위해 얇게 유지되어야 한다.
반대편에 또 다른 베이스 배선을 추가함으로써 베이스 저항을 더 낮출 수 있지만 더욱 많은 영역을 필요로 한다. 또 다른 레이아웃으로는 긴 이미터로 베이스 저항을 낮출 수 있다.
2) Lateral BJT
NPN 구조의 BJT는 수평적인 구조로도 구현이 가능하며 위 이미지와 같다. 구조의 하단부분은 P 타입 그렇지 않으면 n타입끼리 장벽이 없어 쇼트가 발생한다. 만약 기판이 P 타입이라면, 모든 BJT의 베이스들이 서로 연결되게 된다. 따라서 p 영역을 n 형 이미터와 콜렉터를 덮을 정도로 확장하고 기판을 n 타입으로 만들어야한다.
만약 항복 전압에 대한 걱정이 없다면, 제조 공정을 간단히 하기 위해 콜렉터 영역 또한 N+로 도핑되어 이미터와 동시에 형성된다. 이미터와 콜렉터의 간격은 베이스에서 재결합을 줄이기 위해 BJT 밖에 베이스를 둠으로써 얇게 유지된다. 하지만 전자는 N+ 영역의 하단부를 통해서 베이스로 주입될 수 있다. 이 전자들은 콜렉터를 도달하기 보다 훨씬 멀리 이동해야 하기 하며 재결합을 통해 쉽게 사라진다.
또한, 물질 전달 계수가 일부 소자에서 굉장히 낮다. 게인을 높이기 위해, 이미터의 측면 벽이 하단 부분에 비해서 더 커야 한다. 이는 이미터와 콜렉터를 깊게 도핑하고 이미터의 넓이를 줄임으로써 구현할 수 있다. 또한 부가적인 콜렉터 영역이 이미터의 반대편에 추가될 수 있다. BJT의 수직 모델처럼 베이스 영역의 깊이가 콜렉터 영역에 의해 제한받지 않기 때문에, P+ 영역이 배선과 베이스의 저항을 줄이기 위해 하단 부분에 추가될 수 있다.
수직 길이가 수평 길이보다 더욱 세밀하게 조절되어야 하기 때문에, BJT 기술은 수직 구조가 지배적이다.
3) Turn on transient
지금까지는 BJT의 정적인 동작과 그 구조에 대한 이해를 배웠다. 이번에는 BJT의 동적인 거동에 대해 배워보자. BJT가 위와 같이 인버터에 연결된 상황을 가정해 보자. 소수 캐리어의 농도 또한 트랜지스터 동작을 표현하기 위해 살펴볼 수 있다.
BJT의 상태가 바뀌었을 때, 한 작동 모드에서 다른 작동 모드로 바뀐다. 이는 minority 캐리어 전하량의 변화를 동반한다. 만약 V_CC가 5V라고 가정한자. 입력 전압이 낮을 때 트랜지스터는 cut-off 모드로 작동하며 이에 따른 소수 캐리어 농도는 다음과 같다. BJT는 마치 개방 회로와 같이 동작하며 콜렉터 전압 V_out은 V_CC와 같다.
만약 베이스 전압이 t=0 에서 큰 값으로 바뀐다면 베이스 터미널은 커페시턴스에 의해 즉시 0V가 걸리게 된다. 초기 베이스 전류는 V_CC/R_B(베이스 저항)가 된다. 짧은 시간이 지난 뒤, 베이스-이미터 접합이 완전히 turn on 되고 트랜지스터는 forward active 모드로 전환된다. 베이스-이미터 접합 사이의 전압은 V_BE와 같아지며 이는 0.7V 정도로 가정한다. BJT의 소수 캐리어 농도는 최종적으로 위 그래프와 같아진다. 베이스-이미터를 넘어서는 모든 전압, turn on 전압 V_BE (on)는 저항 R_B를 통해 떨어진다. 이러한 상황에서 베이스 전압은 (V_CC - V_BE(on)) / R_B가 된다.
베이스 영역에서, 일시적으로 초과된 음전하가 발생하고. 전기적 중성을 이루기 위해 베이스 전류는 축적된 전자에 균형을 맞추기 위한 정공을 공급받아야 한다. 이렇게 축적된 정공의 양을 Q_B+라고 정의하며 안정된 상태에서 Q_B-와 크기가 같다. 이에 Q_B를 베이스 전하라고 부른다.
이미터로부터 전자의 공급이 큰 전자 전류에 의해 빠르지만, 베이스로 정공을 공급해 주기 위한 베이스 전류가 작기 때문에 시간이 걸린다. 불충분한 Q_B+는 음전하의 척력에 의해 전자 거동을 느리게 한다. 그렇기에 전체적인 Q_B가 점진적으로 증가하는 개형을 보이게 된다. Q_B를 계산하기 위해선 주로 베이스의 안정된 상태에서의 값인 전자 농도 혹은 Q_B-를 사용한다. 하지만 Q_B+에 의해 속도가 제한된다는 사실을 기억해야한다.
프로세스가 진행되면서 콜렉터 전류가 증가하고 이는 출력부의 IR 드롭을 유발한다. 이는 콜렉터 전압인 V_out의 감소를 유발한다. 만약 V_out이 결국 0으로 떨어졌다고 가정한다면 소수 캐리어의 농도는 위 그래프와 같아지게 된다.
시간에 대한 그래프에서 베이스 전류는 지속적으로 베이스 전하 Q_B를 공급한다. 최종적으로 이는 베이스의 소수 캐리어 그래프에서 색칠된 영역의 상태로 포화시킨다. 이는 n_BE * x_B 혹은 n_BE * W_B로 표현된다.
BJT가 forward active 모드에서 saturation 모드로 바뀌는 순간은 포화 상태 전하량의 절반에 해당되는 지점에 해당하고 이는 (n_BE*W_B)/2가 된다. 그리고 바뀌는 순간에 출력 전압은 V_BE(on) 혹은 0.7V까지 강하한다. 또한 0.7V의 완전 포화 상태까지 동일한 시간이 걸리게 되며 이는 일정한 베이스 전류에 해당하는 전하가 완전히 채워지는 시간에 의해 결정된다. 이러한 베이스 전하의 공급은 BJT의 스위치 동작의 딜레이 측정에 활용된다.
4) Turn off transient
Turn on 상황에서 발생하는 딜레이는 베이스에 축적된 전하에 의해 발생하는 반면, Turn off 상황에서 발생하는 딜레이는 베이스 전하의 제거 때문에 발생한다. Turn on 상황과 비교한다면 turn off 상황은 훨씬 명확하다. BJT가 완전한 saturation 모드에서 작동 중이라고 가정해보자. 베이스의 소수 캐리어는 위 그래프와 같다. t=0 일 때 입력 V_CC를 접지, 0V로 전환한다면 베이스의 전하는 forward active 모드를 거쳐 cut-off 모드로 바뀌며 사라진다.
그리고 베이스 전하의 제거는 특히 정공의 축적이 사라지는 것이며 이는 베이스 레지스터에서 접지로 흐르는 베이스 전류에 의해 발생한다. 베이스 영역의 중립지역에서 베이스-이미터 접합에 가까운 소수 캐리어 전하는 접합을 순방향 전압으로 유지하며 접합의 전압은 V_BE(on)으로 고정한다.
그리고 이 전압은 베이스 전류가 접지로 흐르도록 영향을 준다. 또한 이를 베이스의 캐리어 축적이 캐리어를 운반하는 확산을 유발한다고도 볼 수 있다. 이 경우 베이스 전류는 V_BE(on)/R_B로 표현할 수 있다. Turn on과 비교한다면 V_BE(on)이 V_CC보다 작기 때문에 베이스 전류는 굉장히 작다. 그렇기에 베이스 전하를 제거하는데 더욱 긴 시간이 걸린다.
시간 그래프에서 I_B는 축적된 전하의 절반이 사라지는 시간까지 일정하게 유지되고 BJT는forward active 모드에 진입한다. 이후 V_BE가 강하하고 이는 Q_B를 꾸준히 감소하면서 I_B를 감소시킨다. 출력 전압 V_out은 소자가 saturation 모드에 있을 때 거의 0에서 시작하여 BJT가 forward active 모드로 작동하기 시작할 때까지 V_BE(on) 로 증가한다. 출력 전압이 증가할 때까지 긴 딜레이가 있으며 이는 forward active 모드에 도달하는 대략적인 시간인 Q_B / 2*I_B로 예측할 수 있다. 그렇기에 이미터-접지 구성에서 BJT의 전체 스피드는 turn-off에 의해 제한된다.
5) Schottky BJT
마지막으로 위 이미지와 같이 출력 전압의 범위에 대해 알아보자. BJT가 forward active에서 saturation 모드로 바뀔 때, 출력 전압 범위를 오직 0.7V로 증가한다. 하지만 이를 위해선 2배의 베이스 전하가 축적과 방전을 위해 필요로 한다.
사실 BJT가 완전 포화가 되는 것을 방지한다면 V_out이 접지되는 것이 아닌 0.2V로 강하하게 할 수 있다. 그리고 turn off의 긴 딜레이가 사라진다. 전하 농도의 베이스 양 끝단에 인가된 전하의 지수 함수적인 의존성 때문에 0.2V의 차이가 n_BE와 n_BC 사이에 수 천 배의 차이를 이끌어 낸다. 이것이 forward active와 full saturation 모드 사이의 전하 차이를 없앤다.
소자 구조의 측면에서 deep saturation을 방지하기 위해 베이스와 콜렉터 사이에 쇼트키 다이오드가 추가될 수 있다. 이 구조에서 쇼트키 다이오드는 역방향 전압이고 V_out이 V_BE(on)보다 클 경우 개방 회로처럼 거동한다. 이는 BJT가 forward active 모드일 때 회로 작동에 전혀 영향을 주지 않는다는 것을 의미한다.
실리콘 쇼트키 다이오드가 0.7V 정도의 실리콘 pn 접합과 비교하여 0.3V 정도의 낮은 V_on을 가지고 있다는 사실을 다시 고려해보자. V_out이 0.4V 정도로 강하하고 BJT가 shallow saturation 모드로 진입했을 때, 베이스-콜렉터 터미널에서 0.3V 정도의 차이가 발생한다. 이 전압은 쇼트키 다이오드를 turn on 하고 베이스-콜렉터 접합에 0.3V 오프셋만큼 쇼트시킨다. 이는 마치 쇼트키 다이오드가 0.3V짜리 배터리와 비슷하게 작동한다.
이 경우, 콜렉터 전압은 베이스 전압에 의해 0.4V로 유지된다. 그 결과 BJT는 full saturation으로 진입하지 못하고 베이스 전하의 양은 쇼트키 접합이 존재하지 않았을 경우와 비교하여 절반으로 유지된다. Turn-off 상황에서 초기 딜레이가 제거된다면 이는 훨씬 빠른 전환 속도를 유도하고 회로의 출력 스윙과의 트레이드 오프 관계가 된다.
베이스와 콜렉터에 쇼트키 다이오드가 연결된 BJT를 쇼트키 BJT라고 부르며 많은 제품에서 활용된다. 예를 들어 TTL 74 시리즈 IC를 회로를 구성하기 위해 활용할 때, 같은 기능을 하지만 서로 다른 마킹이 되어 있는 것을 볼 수 있다. 이중 S 라벨이 쇼트키 BJT를 의미하며 빠른 전환 속도를 가지지만 잠재적으로 작은 스윙이 특징이다.
그리고 쇼트키 BJT의 구현은 상대적으로 쉽다. 이는 실리콘의 가전자대와 가까운 페르미 레벨을 가지는 금속을 이미지와 같이 베이스-콜렉터 접합에 위치함으로써 얻을 수 있다. 이는 베이스와 옴 접합을 형성하고 콜렉터와 쇼트키 접합을 형성한다. 이러한 목적으로 활용되는 대표적인 금속은 금이다.