双极晶体管的存储时间问题<br/>——开关管存储时间与集电区少子寿命无关

双极晶体管的存储时间问题
——开关管存储时间与集电区少子寿命无关

2013-08-17方群

物理通报 2013年10期

方群

（丹东市经济信息工作委员会辽宁丹东 118000）

笔者原不想把几十年前应探讨的问题在今天重提，但在退休之后见到考研指定教材相关内容仍是与实践相违背，考虑到此理论对大功率、超高速双极器件及TTL集成电路的设计与制造有益，再考虑到基础教材的重要性、严肃性及科学性，更重要的是考虑到应该传授给学生发现问题、分析问题乃至寻求解决问题的方法，达到适应当今社会发展需求的目的，故作此老调重弹之举.

本文首先用实验数据概述了问题提出的过程.通过对两组数据的分析，对现有教材双极开关三极管的存储时间的论点提出质疑.文中阐述了双极晶体管共发射极状态下，饱和时基区与集电区间的P-N结和正向导通的独立二极管的P-N结虽然都处于正偏状态，但集电区载流子的流动方向与少数载流子超量存储情况却完全不同，前者电流方向是由N指向P，后者的电流方向是由P指向N.前者在N区的少子存储可以忽略，后者在N区的少子可以超量存储.既然双极晶体管集电区少子存储可以忽略，存储时间必然和集电区少子寿命无关.为了便于实验验证，文中还提出了一种笔者曾用过的可以验证该论点的简单实验方法.最后，希望有关学者或权威部门能以实践辨别真伪，纠正错误，以便有利于提高双极器件及TTL电路开关速度的设计和培养学生科学态度及独立思考问题的能力.

1 问题的提出过程

因笔者在70年代生产开关管3DK2时遇到了需要缩短该器件的开启时间的问题.当时的思路就是按教材的理论，通过减小基区宽度来缩短开启时间，通过保持最后一次扩散的温度，以维持复合中心金的浓度不变，确保器件的总开关时间在关闭时间不会变长的情况下，将随开启时间的缩短而缩短.但结果却事与愿违，开启时间短了，关闭时间却变长了.其规律是基区宽度越窄存储时间越长.实践使我们对教材产生了怀疑.后来依据集电区少子存储是可以忽略的理论，设计了与当时工艺不同的新工艺，试验获得成功.新的工艺顺利地运用于大生产中，生产出开关性能良好的器件3DK2.

2 数据及分析

因时间过得太久，当时又没有把此问题看得很重要，绝大部分数据丢失了，前些时候在杂乱的纸张中找到一组数据，这是一组用毛刺法测试仪测得的对比数据.虽然没有单独测量存储时间，但是也可从开启、关闭及特征频率的数据中分析出其结果.表1为采用原工艺随机抽取n个器件中挑选电流放大系数较集中的5个，用毛刺法测试仪测得的结果.表2是采用低浓度磷随机选取n个中电流放大系数近似于表1的5个器件.

表1 用毛刺法测试仪测得的结果

表2 放大系数接近于表1的5个器件

上述两个表中的器件制造，硼的结深及磷再分布（含金扩散）温度是同样的.只是在磷预淀积和再分布的时间上有差异.

根据电流放大系数β的公式不难看出，在缩短了磷预淀积时间后，若要维持β不变，必须减薄基区宽度.再根据fT的公式不难看出，基区宽度是决定其数值的关键.基区宽度窄，则器件的特征频率高.对比之下很容易得出以下结论：

（1）表2器件基区宽度应该明显窄于表1器件，因电流放大系数接近相同，而特征频率高于表1器件近一倍；

（2）表2器件开启时间远低于表1器件，说明表2器件的上升时间明显短于表1；

（3）如果存储时间按教科书结论，基本由集电区少数载流子的寿命确定，那么，在上升时间变短后（特征频率提高）下降时间也应明显缩短，再因延长了磷再分布的时间，集电区少子寿命应略有变短，则关闭时间决不应该变长，由此可认为，书中结论与实践背道而驰.

鉴于上述情况，笔者认为有必要对双极器件的存储时间的机理进行再探讨.

3 饱和时基区与集电区载流子超量存储的分析

为了便于分析饱和状态下的少子存储现象，我们首先回顾一下开关管在共发射极状态下放大与饱和时电流和载流子的关系.

3.1 放大与饱和状态的电流分析

以N-P-N晶体管为例.当晶体管进入放大状态时，因集电极是通过负载接到电源正极的，此时集电极电流是由发射区注入到基区的电子（基区中的少子）流过基区与集电区间的P-N结，进入集电区后形成的.此时的集电极电流是电子流，即集电区的多子流.若基极注入不断增大，集电极电流将随之增大.当集电极电压降到等于或低于基极电压时，我们说它进入到临界饱和或饱和状态了.由此不难看出，不管是在放大状态还是饱和状态（含深饱和）集电区的电流都是多子流（以上是共识部分）.

3.2 饱和时集电区载流子超量存储的分析

在集电极电压低于基极时，基区与集电区间的P-N结处于正偏.它形成了向集电区输运空穴的必要条件之一，但它并不是输运空穴的充要条件.笔者认为，充要条件除了有可以起到输运能量的电位差外还需要有源源不断的空穴，这样，才能形成恒定的空穴流.单P-N结的器件（二极管）其P-N结正偏只能靠电源正偏获得.由于电源正偏，P区接的是电源正极，P区的空穴在电源的作用下注入到N区，形成二极管的正向电流，对二极管的收集区而言，它是少子形成的电流.此时，二极管的收集区超量存储必然是N区的少数载流子即空穴.

但对共发射极工作的三极管而言，收集区的低电位是因为集电极负载上的压降过大而形成的（没有集电极负载，三极管就不可能进入饱和状态，此状态是不可以用等效电源来替代集电极电位的），它与电源正偏的状况完全不同，饱和时的电流与饱和前一样仍然是集电区的多子流.此时，基极与发射极的压差大于基极与集电极压差，基区内的空穴被发射区大量注入的电子复合成为发射区电流的一部分.剩余的大部分电子被扩散到集电区，形成集电极电流.从电流的连续性分析，此时，不可能有可观数量的空穴与电子同向流动，从电源做功的角度分析，也不会有空穴能由低电位的集电区流向高电位的电源正极.只有基区与集电区间的P-N结势垒区内的空穴会流向空间电荷区的集电区一方.但由于基区内没有空穴补充势垒区内空穴的流失，所以，不会有持续的空穴流存在.同时，因为大量的电子流不断地流向集电区，使进入集电区的少子随时都有被复合的可能.所以，集电区的少子存储必然是微乎其微的，而且也仅仅是达到一动平衡的状态，从对宏观的影响看，是可以忽略的.

3.3 饱和时基区载流子超量存储的分析

饱和状态时，因集电极负载使集电区的多子电流不能随基极注入电流的增加而线性增加，负载造成的压降使集电极电位低于基极电位.基区内的电子即少子在基区内形成堆积，也就是基区内少子形成超量存储.当基极注入停止时，该区内的超量少子必然使集电极电流的截止出现滞后，这就是我们所说的存储时间.当在基区内的超量少子减少到使集电极电流低于饱和电流时，存储时间结束.故存储时间应取决于基区存储的超量少子的抽取过程.

4 一种简单的理论验证方式

因为载流子超量存储的数量不能直接观察，给出的存储时间公式又有诸多近似，故直接对以其论点导出的公式做验证难度很大.但是可以在一个特定的条件下，通过比较法还是容易对其理论进行验证的.

为此我们分析一下，在集电区高阻层的厚度远大于集电区少子扩散长度的器件中，以集电区有超量少子存储论点导出的公式（因集电区少子寿命远大于基区，更远大于发射区，故其他两个区的少子对存储时间的贡献可忽略不计）

从该公式不难看出，当晶体管电流放大系数与测试条件不变时，其存储时间只与集电区少子寿命有关.由此论点出发，我们可以制作不同基区宽度下，有同样电流放大系数（通过改变发射区浓度）及金浓度的器件.然后，在相同条件下进行存储时间测试，将测试结果进行比较.如果各个器件的存储时间相近，则说明存储时间主要取决于集电区少子寿命，也就是，可推论集电区有超量少子存储.若不同基区宽度的器件的存储时间有明显的某种规律性差异，则说明存储时间取决于公式之外的因素.这就说明三极管饱和时，基区与集电区间的P-N结虽然正偏，但集电区内不会有少数载流子的超量存储，准确说是集电区少子存储可以忽略不计（对集电区厚度薄的器件，此分析仍然有效.因为虽然集电区厚度变为了存储时间的变量之一，但仍然反映出公式与基区无关的特性）.