雙極晶體管的存儲時間問題
——開關管存儲時間與集電區少子壽命無關

方 群

（丹東市經濟信息工作委員會 遼寧 丹東 118000）

筆者原不想把幾十年前應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內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集成電路的設計與制造有益，再考慮到基礎教材的重要性、嚴肅性及科學性，更重要的是考慮到應該傳授給學生發現問題、分析問題乃至尋求解決問題的方法，達到適應當今社會發展需求的目的，故作此老調重彈之舉.

本文首先用實驗數據概述了問題提出的過程.通過對兩組數據的分析，對現有教材雙極開關三極管的存儲時間的論點提出質疑.文中闡述了雙極晶體管共發射極狀態下，飽和時基區與集電區間的P-N結和正向導通的獨立二極管的P-N結雖然都處于正偏狀態，但集電區載流子的流動方向與少數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區的少子存儲可以忽略，后者在N區的少子可以超量存儲.既然雙極晶體管集電區少子存儲可以忽略，存儲時間必然和集電區少子壽命無關.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，希望有關學者或權威部門能以實踐辨別真偽，糾正錯誤，以便有利于提高雙極器件及TTL電路開關速度的設計和培養學生科學態度及獨立思考問題的能力.

1 問題的提出過程

因筆者在70年代生產開關管3DK2時遇到了需要縮短該器件的開啟時間的問題.當時的思路就是按教材的理論，通過減小基區寬度來縮短開啟時間，通過保持最后一次擴散的溫度，以維持復合中心金的濃度不變，確保器件的總開關時間在關閉時間不會變長的情況下，將隨開啟時間的縮短而縮短.但結果卻事與愿違，開啟時間短了，關閉時間卻變長了.其規律是基區寬度越窄存儲時間越長.實踐使我們對教材產生了懷疑.后來依據集電區少子存儲是可以忽略的理論，設計了與當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中，生產出開關性能良好的器件3DK2.

2 數據及分析

因時間過得太久，當時又沒有把此問題看得很重要，絕大部分數據丟失了，前些時候在雜亂的紙張中找到一組數據，這是一組用毛刺法測試儀測得的對比數據.雖然沒有單獨測量存儲時間，但是也可從開啟、關閉及特征頻率的數據中分析出其結果.表1為采用原工藝隨機抽取n個器件中挑選電流放大系數較集中的5個，用毛刺法測試儀測得的結果.表2是采用低濃度磷隨機選取n個中電流放大系數近似于表1的5個器件.

表1 用毛刺法測試儀測得的結果

表2 放大系數接近于表1的5個器件

上述兩個表中的器件制造，硼的結深及磷再分布（含金擴散）溫度是同樣的.只是在磷預淀積和再分布的時間上有差異.

根據電流放大系數β的公式不難看出，在縮短了磷預淀積時間后，若要維持β不變，必須減薄基區寬度.再根據fT的公式不難看出，基區寬度是決定其數值的關鍵.基區寬度窄，則器件的特征頻率高.對比之下很容易得出以下結論：

（1）表2器件基區寬度應該明顯窄于表1器件，因電流放大系數接近相同，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論，基本由集電區少數載流子的壽命確定，那么，在上升時間變短后（特征頻率提高）下降時間也應明顯縮短，再因延長了磷再分布的時間，集電區少子壽命應略有變短，則關閉時間決不應該變長，由此可認為，書中結論與實踐背道而馳.

鑒于上述情況，筆者認為有必要對雙極器件的存儲時間的機理進行再探討.

3 飽和時基區與集電區載流子超量存儲的分析

為了便于分析飽和狀態下的少子存儲現象，我們首先回顧一下開關管在共發射極狀態下放大與飽和時電流和載流子的關系.

3.1 放大與飽和狀態的電流分析

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

3.2 飽和時集電區載流子超量存儲的分析

在集電極電壓低于基極時，基區與集電區間的P-N結處于正偏.它形成了向集電區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結的器件（二極管）其P-N結正偏只能靠電源正偏獲得.由于電源正偏，P區接的是電源正極，P區的空穴在電源的作用下注入到N區，形成二極管的正向電流，對二極管的收集區而言，它是少子形成的電流.此時，二極管的收集區超量存儲必然是N區的少數載流子即空穴.

但對共發射極工作的三極管而言，收集區的低電位是因為集電極負載上的壓降過大而形成的（沒有集電極負載，三極管就不可能進入飽和狀態，此狀態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的多子流.此時，基極與發射極的壓差大于基極與集電極壓差，基區內的空穴被發射區大量注入的電子復合成為發射區電流的一部分.剩余的大部分電子被擴散到集電區，形成集電極電流.從電流的連續性分析，此時，不可能有可觀數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流向高電位的電源正極.只有基區與集電區間的P-N結勢壘區內的空穴會流向空間電荷區的集電區一方.但由于基區內沒有空穴補充勢壘區內空穴的流失，所以，不會有持續的空穴流存在.同時，因為大量的電子流不斷地流向集電區，使進入集電區的少子隨時都有被復合的可能.所以，集電區的少子存儲必然是微乎其微的，而且也僅僅是達到一動平衡的狀態，從對宏觀的影響看，是可以忽略的.

3.3 飽和時基區載流子超量存儲的分析

飽和狀態時，因集電極負載使集電區的多子電流不能隨基極注入電流的增加而線性增加，負載造成的壓降使集電極電位低于基極電位.基區內的電子即少子在基區內形成堆積，也就是基區內少子形成超量存儲.當基極注入停止時，該區內的超量少子必然使集電極電流的截止出現滯后，這就是我們所說的存儲時間.當在基區內的超量少子減少到使集電極電流低于飽和電流時，存儲時間結束.故存儲時間應取決于基區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行驗證的.

為此我們分析一下，在集電區高阻層的厚度遠大于集電區少子擴散長度的器件中，以集電區有超量少子存儲論點導出的公式（因集電區少子壽命遠大于基區，更遠大于發射區，故其他兩個區的少子對存儲時間的貢獻可忽略不計）

從該公式不難看出，當晶體管電流放大系數與測試條件不變時，其存儲時間只與集電區少子壽命有關.由此論點出發，我們可以制作不同基區寬度下，有同樣電流放大系數（通過改變發射區濃度）及金濃度的器件.然后，在相同條件下進行存儲時間測試，將測試結果進行比較.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少子壽命，也就是，可推論集電區有超量少子存儲.若不同基區寬度的器件的存儲時間有明顯的某種規律性差異，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，基區與集電區間的P-N結雖然正偏，但集電區內不會有少數載流子的超量存儲，準確說是集電區少子存儲可以忽略不計（對集電區厚度薄的器件，此分析仍然有效.因為雖然集電區厚度變為了存儲時間的變量之一，但仍然反映出公式與基區無關的特性）.

5 結束語

我們認為產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論直接套在電源反偏、電流反向的三極管的cb結上的結果.

希望有條件的學者或單位能重復此實驗.以實踐辨真偽.不僅有益于雙極器件和TTL電路提高開關速度的設計和制造，還有利于教材的科學性、嚴謹性，更有益于培養學生的科學態度和獨立思考問題的能力.

1 曾樹榮.半導體器件物理基礎.北京：北京大學出版社，2007

2 曹培棟.微電子技術基礎——雙極、場效應晶體管原理.北京：電子工業出版社，2001

3 劉樹林，張華曹，柴常春.半導體器件物理.北京：電子工業出版社，2005

4 孟慶巨，劉海波.半導體器件物理.北京：科學出版社，2005

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

6 收集區內的少數載流子積累效應與晶體管的存儲時間.見：半導體譯叢編輯委員會編譯.半導體譯叢平面型晶體管專集.北京：國防工業出版社，1965.181

7 林兆炯，韓汝琦.晶體管原理與設計.北京：科學出版社，1977