硅双极灌氟技术提升晶体管运行速度

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近日，从网上看到一篇报道：英国新技术可使晶体管运行速度高出一倍

　　新华网伦敦8月19日电(记者葛秋芳)英国研究人员开发出一种新技术，可使双极晶体管的运行速度提高一倍。
　　英国南安普敦大学近日发布的消息说，该校研究人员应用硅双极灌氟技术，使双极晶体管的运行速度达到110吉赫兹，这一速度比现有纪录高出一倍。
　　据负责该项研究的彼得·阿什伯恩介绍，这种技术通过阻止晶体管底部的硼扩散，使晶体管底部宽度变窄，从而让电子能以更快的速度穿越晶体管底部。
　　研究人员称，利用这一技术还可将晶体管底部的硼扩散再降低50%，他们正在就此进行研究。
　　双极晶体管是固体半导体器件，通常应用于移动电话和各种无线通信设备中。

那么这种新技术的原理是什么呢？下面我试图从所掌握的知识进行简单分析。

只要学过电子技术课程的人应该知道晶体管，其具有电流放大作用，当然，报道中的晶体管是用于快速开关而非电流放大的。再进一步的也许知道何谓双极型晶体管，其中的双极型是指在电流放大作用中有两种粒子参与作用，分别为电子（Electrons）和空穴（Holes），实际上，空穴应该为一种带正电的空位状态，在固体物理学中，为了分析的方便，就把这种空位称之为空穴。在结构上，晶体管由三个区组成：发射区（Emitter）、基区（Base）与集电区（Collector），电流在这个三个区中的流动路径如下图所示（以NPN型晶体管为例）：



电子与空穴穿越这三个区都需要时间，这个穿越时间决定了晶体管的开关频率。报道中的采用新技术的晶体管的开关速度提高了一倍，说明这个穿越时间相应降低了一倍。我感兴趣的是采用什么机理能大幅降低穿越时间。这时，我想起了一种稳压器件：齐纳击穿二极管，其中的齐纳击穿是指这种器件达到额达电压时器件内部的击穿是基于量子力学中的隧道效应，这种新技术的晶体管是否也应用了这种隧道效应呢？

可以用一个大家都看得懂的词来称呼这个隧道效应：穿墙而过。当然，这个墙是指上图中的pn结耗尽区（depletion region），而且也并非所有的电子空穴都能穿墙而过，能穿过这个墙的电子空穴的能量需要高于某个阈值。通常工艺制造的双极型晶体管并不具有这种效应，要使晶体管产生隧道效应，必须使上图的发射区的宽度降低到一个很低的值，例如零点几个微米。报道中的“晶体管底部”正对应发射区，与上图中的NPN型晶体管不同的是，报道中的晶体管为PNP型。如果这个发射区在顶部而非底部，则可以采用已十分成熟的离子注入来实现这种隧道效应，但不幸得很，大批量生产的工艺特点决定了发射区只能位于底部。在这里需说明的是，集电区是不能采用隧道效应的，因为其要承受较高的电压用作开关的高电平。英国研究人员采用硅双极灌氟技术就实现了底部发射区的隧道效应，看来这个灌氟技术确实是一种技术创新。