이번에 다룰 주제는 Narrow Bandgap base and hetero junction(HBT), Poly-Si Emitter입니다. 우선 Narrow bandgap base와 HBT에 대해서 이야기를 해보겠습니다. 10번째 포스팅에서 우리는 밴드갭이 narrowing 되는 것을 알게 되었고,
밴드갭이 좁아졌을 때 검멜 넘버와 전류 이득에 어떠한 영향을 주게 되는지에 대해서 알게 되었습니다. 하지만 10번째 포스팅에서는 좋지 않은 방향이었습니다. 하지만 이번 포스팅에서는 그것을 좋은 방향으로 응용하는 것에 대해 이야기를 할 것입니다. 10번째 포스팅에서는 이미터쪽에 헤비 도핑을 하면 배타의 원리에 의해 band split이 발생하고 그것에 의해 degenerate되어 밴드갭이 좁아져 nie^2 텀이 좋지 않아져서, 도핑을 많이 한 것에 비해 전류 이득이 기대한 것 만큼 나오지 않았던 문제점이 있었습니다. 그러면, 10번째 포스팅에서는 이미터쪽 밴드갭이 좁아졌지만 바꿔 생각해서,
베이스쪽 밴드갭이 좁아진다면 어떻게 될까? 를 생각해보는 것입니다. 결론부터 말하면 이렇게 될 수 있습니다.
사진에서 언급했듯이 베이스의 밴드갭은 낮으면 좋은 효과를 가지고 옵니다. 베이스의 밴드갭이 낮으면 nib^2이 증가하여 베이스 검멜 넘버(GB)의 특성이 좋아집니다. 그 결과 Collector current가 상승하는 효과를 가지고 옵니다. 하지만 베이스 밴드갭을 낮추기 위해서 10번째 포스팅에서처럼 베이스에 헤비 도핑을 하여 degenerate를 만들게 되면 안됩니다.베이스에 헤비 도핑을 하게 되면 forward bias가 걸렸을 때 베이스에서 이미터로 인젝션 되는 양 역시 많아 지게 됩니다. 그래서 베이스 전류가 증가하게 되어 결과적으로 전류 이득 베타(Bf)는 감소하는 결과가 나오게 되기 때문이죠. 그러면 어떻게 해야 하냐? 바로 베이스에는 밴드갭이 낮은 다른 물질을 쓴다는 것입니다. 도핑 농도는 그대로 두고요.
이렇게 서로 다른 물질로 정션을 한 것을 Hetero junction 이라고 합니다. 이런 것을 사용하여 만든 것을 BJT라고 하구요.
예를 들어서 베이스에 실리콘이 1-n(이타) 만큼 들어가있고, 저메늄이 0.2 정도 만큼 들어가 있으면 베이스의 밴드갭은 실리콘 밴드갭 1.1eV에서 0.1eV가 감소하게 됩니다. 그러면 그것만큼 nIB^2이 증가하여 검멜넘버 비가 좋아지며 나아가서 common-emiiter 전류 이득인 베타가 좋아지게 되는 것입니다. HBT를 하였을 때의 에너지 밴드 다이어그램은 다음과 같습니다.
기존의 밴드 다이어그램과는 다르게 각각의 정션의 디플리션 사이에 뾰족하게 튀어나오는 것을 알 수가 있습니다. 이러한 것은 워크 펑션에 의해 컨덕션 밴드의 위치는 정해져있으며, 또한 밴드갭의 차이 때문에 저런 그림이 나옵니다. 왜 저런지 잘 모르겠으시면, 머리로 생각하지 마시구 A4 용지에다가 워크 펑션과 밴드갭의 차이를 고려해서 그림을 한번 그려보세요. 엄밀히 말하면, 컨덕션 밴드쪽 그림은 맞지만 배일런스 밴드에서의 그림은 조금 애매모호합니다...그냥 저는 저런 그림을 숙지하기 쉽게 저렇게 알아두고 있습니다. 자세한 그림은 HBT로 구글에 치시면 다 나옵니다. 방금 말씀 드린 것은 밴드갭이 작은 베이스 물질을 써서 검멜 넘버비를 좋게 한 것이었습니다. 하지만, 이것을 또 응용하여 보면 밴드갭이 큰 물질을 이미터에 쓰면 검멜 넘버비를 좋게 할 수가 있겠지요. 밴드갭이 큰 물질을 이미터에 쓰면 nie^2 텀이 작아지게 되며, 그에 따라서 검멜 넘버비가 좋아지게 되며 전류이득인 B가 증가하게 됩니다. 그렇기 때문에 그림에는 좁은 베이스와 넓은 이미터를 쓰는 것은 거의 비슷하다고 적은 것입니다. 그런 의미로 적어둔 것입니다. 다음은 Poly-Si 이미터에 대해서 이야기를 해보겠습니다.
폴리 실리콘 이미터는 WE( emitter width)에 한계가 있어서 나온 구조입니다. WE가 넓은 값을 가지게 되면, 베이스 전류의 값이 줄어들어 전류이득인 B(베타)가 좋아지게 됩니다.
이 것이 그것을 설명하는 그림입니다. 콜렉터 전류는 x=WB에서의 기울기 값이라는 것을 우리는 앞선 포스팅에서 알게 되었습니다. 그런 것을 고려해 볼 때, WB보다 WB'에서의 기울기가 더 급격한 것을 알 수 있습니다. 이는 곧 콜렉터 전류와 직결되어 보다 큰 콜렉터 전류를 가질 수 있음을 알 수 있습니다. 베이스 전류쪽을 바라보면, 베이스 전류는 X=0일 때의 기울기입니다. 빨간 점선으로 동그라미 친 부분이죠... 전류 이득을 좋게 하기 위해서 베이스 전류는 작아야 할 필요가 있습니다. WE보다는 WE'일 때의 기울기가 더 작으므로, WE'일 때가 더 적은 베이스 전류를 가진다고 할 수 있습니다. 따라서, 베이스 전류를 적게 하기 위해서는 emiiter width가 넓어야 합니다. 그리고 이것은 번외로 말씀드리는 건데, 콜렉터 전류가 증가 하기 위해서 WB가 감소해야 한다고 했는데 이것은 적당히 해야합니다. 그 이유는 WB가 너무 좁으면 시리즈 저항이 커지고, 시리즈 저항에 걸리는 전압이 커지게 되면서 같은 전압을 걸어도 흐르는 전류가 작아지게 됩니다. 따라서 WB는 저렇게 되지 않는 다는 전제 하에 가능한 작게 해야 합니다.
다음 그림을 한번 보세요. 왼쪽은 일반적인 BJT의 모습입니다. 빨간색 펜으로 정리한 것이 각각 이미터,베이스인데요...
BJT는 콜렉터에 베이스를 도핑하고 이미터를 도핑하는 식으로 만들어집니다. 따라서 WB가 정해져 있으므로 WE가 확장할 수 있는 것에는 한계가 있습니다. 즉, 우리는 전류 이득을 좋게 하기 위하여 emitter width를 넓히고 싶은데, emiiter width를 넓히는데 한계가 있다는 것입니다. 그 문제를 해결하기 위해서 Poly-si Emiiter가 나왔습니다. 오른쪽이 폴리 실리콘 이미터의 모습입니다. 폴리 실리콘 이미터는 이미터를 도핑을 한 것이 아닙니다. 베이스 위에 이미터 물질을 올리고, 열을 가해서 저렇게 들어가게 된 겁니다. 즉, 저 사각형의 형태 모두가 이미터가 되고 WE가 증가하게 됩니다. 다시 한번 말씀드리지만, 왼쪽은 물질을 도핑하여 이미터를 만든 것이고 오른쪽은 이미터 물질을 베이스 위에 살짝 올려둔 것입니다. 그리고 그 이미터 물질을 파란색으로 색칠된 ohmic contact으로 둘러싼 후에 전극을 밖으로 뺀 것입니다. 결과적으로 이런 구조를 만들게 되면서, 문제를 해결하면서 전류 이득을 훨씬 좋게 만들 수가 있게 되었습니다.