方 群

（丹東市經(jīng)濟(jì)信息工作委員會 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)容仍是與實踐相違背，考慮到此理論對大功率、超高速雙極器件及TTL集成電路的設(shè)計與制造有益，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)今社會發(fā)展需求的目的，故作此老調(diào)重彈之舉.

本文首先用實驗數(shù)據(jù)概述了問題提出的過程.通過對兩組數(shù)據(jù)的分析，對現(xiàn)有教材雙極開關(guān)三極管的存儲時間的論點提出質(zhì)疑.文中闡述了雙極晶體管共發(fā)射極狀態(tài)下，飽和時基區(qū)與集電區(qū)間的P-N結(jié)和正向?qū)ǖ莫毩⒍O管的P-N結(jié)雖然都處于正偏狀態(tài)，但集電區(qū)載流子的流動方向與少數(shù)載流子超量存儲情況卻完全不同，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)的少子存儲可以忽略，后者在N區(qū)的少子可以超量存儲.既然雙極晶體管集電區(qū)少子存儲可以忽略，存儲時間必然和集電區(qū)少子壽命無關(guān).為了便于實驗驗證，文中還提出了一種筆者曾用過的可以驗證該論點的簡單實驗方法.最后，希望有關(guān)學(xué)者或權(quán)威部門能以實踐辨別真?zhèn)?，糾正錯誤，以便有利于提高雙極器件及TTL電路開關(guān)速度的設(shè)計和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度及獨立思考問題的能力.

1 問題的提出過程

因筆者在70年代生產(chǎn)開關(guān)管3DK2時遇到了需要縮短該器件的開啟時間的問題.當(dāng)時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)時間在關(guān)閉時間不會變長的情況下，將隨開啟時間的縮短而縮短.但結(jié)果卻事與愿違，開啟時間短了，關(guān)閉時間卻變長了.其規(guī)律是基區(qū)寬度越窄存儲時間越長.實踐使我們對教材產(chǎn)生了懷疑.后來依據(jù)集電區(qū)少子存儲是可以忽略的理論，設(shè)計了與當(dāng)時工藝不同的新工藝，試驗獲得成功.新的工藝順利地運用于大生產(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

因時間過得太久，當(dāng)時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試儀測得的對比數(shù)據(jù).雖然沒有單獨測量存儲時間，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個器件中挑選電流放大系數(shù)較集中的5個，用毛刺法測試儀測得的結(jié)果.表2是采用低濃度磷隨機(jī)選取n個中電流放大系數(shù)近似于表1的5個器件.

表1 用毛刺法測試儀測得的結(jié)果

表2 放大系數(shù)接近于表1的5個器件

上述兩個表中的器件制造，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器件開啟時間遠(yuǎn)低于表1器件，說明表2器件的上升時間明顯短于表1；

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

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

3 飽和時基區(qū)與集電區(qū)載流子超量存儲的分析

為了便于分析飽和狀態(tài)下的少子存儲現(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，因集電極是通過負(fù)載接到電源正極的，此時集電極電流是由發(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，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（以上是共識部分）.

3.2 飽和時集電區(qū)載流子超量存儲的分析

在集電極電壓低于基極時，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)輸運空穴的必要條件之一，但它并不是輸運空穴的充要條件.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，對二極管的收集區(qū)而言，它是少子形成的電流.此時，二極管的收集區(qū)超量存儲必然是N區(qū)的少數(shù)載流子即空穴.

但對共發(fā)射極工作的三極管而言，收集區(qū)的低電位是因為集電極負(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，飽和時的電流與飽和前一樣仍然是集電區(qū)的多子流.此時，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，不可能有可觀數(shù)量的空穴與電子同向流動，從電源做功的角度分析，也不會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)勢壘區(qū)內(nèi)的空穴會流向空間電荷區(qū)的集電區(qū)一方.但由于基區(qū)內(nèi)沒有空穴補(bǔ)充勢壘區(qū)內(nèi)空穴的流失，所以，不會有持續(xù)的空穴流存在.同時，因為大量的電子流不斷地流向集電區(qū)，使進(jìn)入集電區(qū)的少子隨時都有被復(fù)合的可能.所以，集電區(qū)的少子存儲必然是微乎其微的，而且也僅僅是達(dá)到一動平衡的狀態(tài)，從對宏觀的影響看，是可以忽略的.

3.3 飽和時基區(qū)載流子超量存儲的分析

飽和狀態(tài)時，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.當(dāng)基極注入停止時，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時間.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，存儲時間結(jié)束.故存儲時間應(yīng)取決于基區(qū)存儲的超量少子的抽取過程.

4 一種簡單的理論驗證方式

因為載流子超量存儲的數(shù)量不能直接觀察，給出的存儲時間公式又有諸多近似，故直接對以其論點導(dǎo)出的公式做驗證難度很大.但是可以在一個特定的條件下，通過比較法還是容易對其理論進(jìn)行驗證的.

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)散長度的器件中，以集電區(qū)有超量少子存儲論點導(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)，故其他兩個區(qū)的少子對存儲時間的貢獻(xiàn)可忽略不計）

從該公式不難看出，當(dāng)晶體管電流放大系數(shù)與測試條件不變時，其存儲時間只與集電區(qū)少子壽命有關(guān).由此論點出發(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)行存儲時間測試，將測試結(jié)果進(jìn)行比較.如果各個器件的存儲時間相近，則說明存儲時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.若不同基區(qū)寬度的器件的存儲時間有明顯的某種規(guī)律性差異，則說明存儲時間取決于公式之外的因素.這就說明三極管飽和時，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)不會有少數(shù)載流子的超量存儲，準(zhǔn)確說是集電區(qū)少子存儲可以忽略不計（對集電區(qū)厚度薄的器件，此分析仍然有效.因為雖然集電區(qū)厚度變?yōu)榱舜鎯r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)此實驗.以實踐辨真?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)與晶體管的存儲時間.見：半導(dǎo)體譯叢編輯委員會編譯.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.北京：科學(xué)出版社，1977