雙極晶體管的存儲(chǔ)時(shí)間問題
——開關(guān)管存儲(chǔ)時(shí)間與集電區(qū)少子壽命無關(guān)

方 群

（丹東市經(jīng)濟(jì)信息工作委員會(huì) 遼寧 丹東 118000）

筆者原不想把幾十年前應(yīng)探討的問題在今天重提，但在退休之后見到考研指定教材相關(guān)內(nèi)容仍是與實(shí)踐相違背，考慮到此理論對(duì)大功率、超高速雙極器件及TTL集成電路的設(shè)計(jì)與制造有益，再考慮到基礎(chǔ)教材的重要性、嚴(yán)肅性及科學(xué)性，更重要的是考慮到應(yīng)該傳授給學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題乃至尋求解決問題的方法，達(dá)到適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)發(fā)展需求的目的，故作此老調(diào)重彈之舉.

本文首先用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)概述了問題提出的過程.通過對(duì)兩組數(shù)據(jù)的分析，對(duì)現(xiàn)有教材雙極開關(guān)三極管的存儲(chǔ)時(shí)間的論點(diǎn)提出質(zhì)疑.文中闡述了雙極晶體管共發(fā)射極狀態(tài)下，飽和時(shí)基區(qū)與集電區(qū)間的P-N結(jié)和正向?qū)ǖ莫?dú)立二極管的P-N結(jié)雖然都處于正偏狀態(tài)，但集電區(qū)載流子的流動(dòng)方向與少數(shù)載流子超量存儲(chǔ)情況卻完全不同，前者電流方向是由N指向P，后者的電流方向是由P指向N.前者在N區(qū)的少子存儲(chǔ)可以忽略，后者在N區(qū)的少子可以超量存儲(chǔ).既然雙極晶體管集電區(qū)少子存儲(chǔ)可以忽略，存儲(chǔ)時(shí)間必然和集電區(qū)少子壽命無關(guān).為了便于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，文中還提出了一種筆者曾用過的可以驗(yàn)證該論點(diǎn)的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)方法.最后，希望有關(guān)學(xué)者或權(quán)威部門能以實(shí)踐辨別真?zhèn)?，糾正錯(cuò)誤，以便有利于提高雙極器件及TTL電路開關(guān)速度的設(shè)計(jì)和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度及獨(dú)立思考問題的能力.

1 問題的提出過程

因筆者在70年代生產(chǎn)開關(guān)管3DK2時(shí)遇到了需要縮短該器件的開啟時(shí)間的問題.當(dāng)時(shí)的思路就是按教材的理論，通過減小基區(qū)寬度來縮短開啟時(shí)間，通過保持最后一次擴(kuò)散的溫度，以維持復(fù)合中心金的濃度不變，確保器件的總開關(guān)時(shí)間在關(guān)閉時(shí)間不會(huì)變長(zhǎng)的情況下，將隨開啟時(shí)間的縮短而縮短.但結(jié)果卻事與愿違，開啟時(shí)間短了，關(guān)閉時(shí)間卻變長(zhǎng)了.其規(guī)律是基區(qū)寬度越窄存儲(chǔ)時(shí)間越長(zhǎng).實(shí)踐使我們對(duì)教材產(chǎn)生了懷疑.后來依據(jù)集電區(qū)少子存儲(chǔ)是可以忽略的理論，設(shè)計(jì)了與當(dāng)時(shí)工藝不同的新工藝，試驗(yàn)獲得成功.新的工藝順利地運(yùn)用于大生產(chǎn)中，生產(chǎn)出開關(guān)性能良好的器件3DK2.

2 數(shù)據(jù)及分析

因時(shí)間過得太久，當(dāng)時(shí)又沒有把此問題看得很重要，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失了，前些時(shí)候在雜亂的紙張中找到一組數(shù)據(jù)，這是一組用毛刺法測(cè)試儀測(cè)得的對(duì)比數(shù)據(jù).雖然沒有單獨(dú)測(cè)量存儲(chǔ)時(shí)間，但是也可從開啟、關(guān)閉及特征頻率的數(shù)據(jù)中分析出其結(jié)果.表1為采用原工藝隨機(jī)抽取n個(gè)器件中挑選電流放大系數(shù)較集中的5個(gè)，用毛刺法測(cè)試儀測(cè)得的結(jié)果.表2是采用低濃度磷隨機(jī)選取n個(gè)中電流放大系數(shù)近似于表1的5個(gè)器件.

表1 用毛刺法測(cè)試儀測(cè)得的結(jié)果

表2 放大系數(shù)接近于表1的5個(gè)器件

上述兩個(gè)表中的器件制造，硼的結(jié)深及磷再分布（含金擴(kuò)散）溫度是同樣的.只是在磷預(yù)淀積和再分布的時(shí)間上有差異.

根據(jù)電流放大系數(shù)β的公式不難看出，在縮短了磷預(yù)淀積時(shí)間后，若要維持β不變，必須減薄基區(qū)寬度.再根據(jù)fT的公式不難看出，基區(qū)寬度是決定其數(shù)值的關(guān)鍵.基區(qū)寬度窄，則器件的特征頻率高.對(duì)比之下很容易得出以下結(jié)論：

（1）表2器件基區(qū)寬度應(yīng)該明顯窄于表1器件，因電流放大系數(shù)接近相同，而特征頻率高于表1器件近一倍；

（2）表2器件開啟時(shí)間遠(yuǎn)低于表1器件，說明表2器件的上升時(shí)間明顯短于表1；

（3）如果存儲(chǔ)時(shí)間按教科書結(jié)論，基本由集電區(qū)少數(shù)載流子的壽命確定，那么，在上升時(shí)間變短后（特征頻率提高）下降時(shí)間也應(yīng)明顯縮短，再因延長(zhǎng)了磷再分布的時(shí)間，集電區(qū)少子壽命應(yīng)略有變短，則關(guān)閉時(shí)間決不應(yīng)該變長(zhǎng)，由此可認(rèn)為，書中結(jié)論與實(shí)踐背道而馳.

鑒于上述情況，筆者認(rèn)為有必要對(duì)雙極器件的存儲(chǔ)時(shí)間的機(jī)理進(jìn)行再探討.

3 飽和時(shí)基區(qū)與集電區(qū)載流子超量存儲(chǔ)的分析

為了便于分析飽和狀態(tài)下的少子存儲(chǔ)現(xiàn)象，我們首先回顧一下開關(guān)管在共發(fā)射極狀態(tài)下放大與飽和時(shí)電流和載流子的關(guān)系.

3.1 放大與飽和狀態(tài)的電流分析

以N-P-N晶體管為例.當(dāng)晶體管進(jìn)入放大狀態(tài)時(shí)，因集電極是通過負(fù)載接到電源正極的，此時(shí)集電極電流是由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子（基區(qū)中的少子）流過基區(qū)與集電區(qū)間的P-N結(jié)，進(jìn)入集電區(qū)后形成的.此時(shí)的集電極電流是電子流，即集電區(qū)的多子流.若基極注入不斷增大，集電極電流將隨之增大.當(dāng)集電極電壓降到等于或低于基極電壓時(shí)，我們說它進(jìn)入到臨界飽和或飽和狀態(tài)了.由此不難看出，不管是在放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài)（含深飽和）集電區(qū)的電流都是多子流（以上是共識(shí)部分）.

3.2 飽和時(shí)集電區(qū)載流子超量存儲(chǔ)的分析

在集電極電壓低于基極時(shí)，基區(qū)與集電區(qū)間的P-N結(jié)處于正偏.它形成了向集電區(qū)輸運(yùn)空穴的必要條件之一，但它并不是輸運(yùn)空穴的充要條件.筆者認(rèn)為，充要條件除了有可以起到輸運(yùn)能量的電位差外還需要有源源不斷的空穴，這樣，才能形成恒定的空穴流.單P-N結(jié)的器件（二極管）其P-N結(jié)正偏只能靠電源正偏獲得.由于電源正偏，P區(qū)接的是電源正極，P區(qū)的空穴在電源的作用下注入到N區(qū)，形成二極管的正向電流，對(duì)二極管的收集區(qū)而言，它是少子形成的電流.此時(shí)，二極管的收集區(qū)超量存儲(chǔ)必然是N區(qū)的少數(shù)載流子即空穴.

但對(duì)共發(fā)射極工作的三極管而言，收集區(qū)的低電位是因?yàn)榧姌O負(fù)載上的壓降過大而形成的（沒有集電極負(fù)載，三極管就不可能進(jìn)入飽和狀態(tài)，此狀態(tài)是不可以用等效電源來替代集電極電位的），它與電源正偏的狀況完全不同，飽和時(shí)的電流與飽和前一樣仍然是集電區(qū)的多子流.此時(shí)，基極與發(fā)射極的壓差大于基極與集電極壓差，基區(qū)內(nèi)的空穴被發(fā)射區(qū)大量注入的電子復(fù)合成為發(fā)射區(qū)電流的一部分.剩余的大部分電子被擴(kuò)散到集電區(qū)，形成集電極電流.從電流的連續(xù)性分析，此時(shí)，不可能有可觀數(shù)量的空穴與電子同向流動(dòng)，從電源做功的角度分析，也不會(huì)有空穴能由低電位的集電區(qū)流向高電位的電源正極.只有基區(qū)與集電區(qū)間的P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的空穴會(huì)流向空間電荷區(qū)的集電區(qū)一方.但由于基區(qū)內(nèi)沒有空穴補(bǔ)充勢(shì)壘區(qū)內(nèi)空穴的流失，所以，不會(huì)有持續(xù)的空穴流存在.同時(shí)，因?yàn)榇罅康碾娮恿鞑粩嗟亓飨蚣妳^(qū)，使進(jìn)入集電區(qū)的少子隨時(shí)都有被復(fù)合的可能.所以，集電區(qū)的少子存儲(chǔ)必然是微乎其微的，而且也僅僅是達(dá)到一動(dòng)平衡的狀態(tài)，從對(duì)宏觀的影響看，是可以忽略的.

3.3 飽和時(shí)基區(qū)載流子超量存儲(chǔ)的分析

飽和狀態(tài)時(shí)，因集電極負(fù)載使集電區(qū)的多子電流不能隨基極注入電流的增加而線性增加，負(fù)載造成的壓降使集電極電位低于基極電位.基區(qū)內(nèi)的電子即少子在基區(qū)內(nèi)形成堆積，也就是基區(qū)內(nèi)少子形成超量存儲(chǔ).當(dāng)基極注入停止時(shí)，該區(qū)內(nèi)的超量少子必然使集電極電流的截止出現(xiàn)滯后，這就是我們所說的存儲(chǔ)時(shí)間.當(dāng)在基區(qū)內(nèi)的超量少子減少到使集電極電流低于飽和電流時(shí)，存儲(chǔ)時(shí)間結(jié)束.故存儲(chǔ)時(shí)間應(yīng)取決于基區(qū)存儲(chǔ)的超量少子的抽取過程.

4 一種簡(jiǎn)單的理論驗(yàn)證方式

因?yàn)檩d流子超量存儲(chǔ)的數(shù)量不能直接觀察，給出的存儲(chǔ)時(shí)間公式又有諸多近似，故直接對(duì)以其論點(diǎn)導(dǎo)出的公式做驗(yàn)證難度很大.但是可以在一個(gè)特定的條件下，通過比較法還是容易對(duì)其理論進(jìn)行驗(yàn)證的.

為此我們分析一下，在集電區(qū)高阻層的厚度遠(yuǎn)大于集電區(qū)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度的器件中，以集電區(qū)有超量少子存儲(chǔ)論點(diǎn)導(dǎo)出的公式（因集電區(qū)少子壽命遠(yuǎn)大于基區(qū)，更遠(yuǎn)大于發(fā)射區(qū)，故其他兩個(gè)區(qū)的少子對(duì)存儲(chǔ)時(shí)間的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)）

從該公式不難看出，當(dāng)晶體管電流放大系數(shù)與測(cè)試條件不變時(shí)，其存儲(chǔ)時(shí)間只與集電區(qū)少子壽命有關(guān).由此論點(diǎn)出發(fā)，我們可以制作不同基區(qū)寬度下，有同樣電流放大系數(shù)（通過改變發(fā)射區(qū)濃度）及金濃度的器件.然后，在相同條件下進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)間測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較.如果各個(gè)器件的存儲(chǔ)時(shí)間相近，則說明存儲(chǔ)時(shí)間主要取決于集電區(qū)少子壽命，也就是，可推論集電區(qū)有超量少子存儲(chǔ).若不同基區(qū)寬度的器件的存儲(chǔ)時(shí)間有明顯的某種規(guī)律性差異，則說明存儲(chǔ)時(shí)間取決于公式之外的因素.這就說明三極管飽和時(shí)，基區(qū)與集電區(qū)間的P-N結(jié)雖然正偏，但集電區(qū)內(nèi)不會(huì)有少數(shù)載流子的超量存儲(chǔ)，準(zhǔn)確說是集電區(qū)少子存儲(chǔ)可以忽略不計(jì)（對(duì)集電區(qū)厚度薄的器件，此分析仍然有效.因?yàn)殡m然集電區(qū)厚度變?yōu)榱舜鎯?chǔ)時(shí)間的變量之一，但仍然反映出公式與基區(qū)無關(guān)的特性）.

5 結(jié)束語

我們認(rèn)為產(chǎn)生上述問題的原因在于把簡(jiǎn)單的電源正偏、電流正向的二極管結(jié)論直接套在電源反偏、電流反向的三極管的cb結(jié)上的結(jié)果.

希望有條件的學(xué)者或單位能重復(fù)此實(shí)驗(yàn).以實(shí)踐辨真?zhèn)?不僅有益于雙極器件和TTL電路提高開關(guān)速度的設(shè)計(jì)和制造，還有利于教材的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性，更有益于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和獨(dú)立思考問題的能力.

1 曾樹榮.半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ).北京：北京大學(xué)出版社，2007

2 曹培棟.微電子技術(shù)基礎(chǔ)——雙極、場(chǎng)效應(yīng)晶體管原理.北京：電子工業(yè)出版社，2001

3 劉樹林，張華曹，柴常春.半導(dǎo)體器件物理.北京：電子工業(yè)出版社，2005

4 孟慶巨，劉海波.半導(dǎo)體器件物理.北京：科學(xué)出版社，2005

5 （美）愛德華·S·楊著.半導(dǎo)體器件基礎(chǔ).盧紀(jì)譯.北京：人民教育出版社，1981

6 收集區(qū)內(nèi)的少數(shù)載流子積累效應(yīng)與晶體管的存儲(chǔ)時(shí)間.見：半導(dǎo)體譯叢編輯委員會(huì)編譯.半導(dǎo)體譯叢平面型晶體管專集.北京：國防工業(yè)出版社，1965.181

7 林兆炯，韓汝琦.晶體管原理與設(shè)計(jì).北京：科學(xué)出版社，1977