2-5大電流效應和基區(qū)寬變效應

2.5大電流效應和基區(qū)寬變效應(Early效應)

大電流效應大注入效應有效基區(qū)擴展效應（kirk效應）發(fā)射極電流集邊效應2.基區(qū)寬變效應(Early效應)

1.大電流效應

雙極晶體管的大電流效應包括:大注入效應、有效基區(qū)擴展效應(Kirk效應)、準飽和效應以及發(fā)射極電流集邊效應。①大注入效應

1）什么是大注入(高電平注入)：指PN結外加正向電壓時，注入少數(shù)載流子密度等于或超過多子平衡態(tài)密度的工作狀態(tài)。

2）大注入內建電場圖2-29NPN晶體管基區(qū)載流子分布（a）小注入b）大注入小注入時，注入的電子密度遠低于平衡態(tài)空穴密度，認為多子空穴平衡分布與平衡態(tài)近似相同。大注入時，注入電子密度超過空穴平衡態(tài)密度，電中性要求，空穴的密度梯度與電子的密度梯度相等。由于存在密度梯度，空穴將自發(fā)射結向集電結擴散，而一旦擴散開來，電中性就受到破壞，為維持空穴這一相應的積累，需建立一電場來阻止空穴的擴散，這個電場就是大注入內建電場，其方向是從集電結指向發(fā)射結，對注入到基區(qū)的電子起加速作用。平衡態(tài)時，多子電流準中性第一項表示在大注入下，由基區(qū)雜質分布梯度產生的有效電場，對均勻基區(qū)，這一項等于零。第二項表示少子注入基區(qū)后，為維持電中性，積累相應的空穴而產生的大注入自建電場，它隨注入水準的提高而增強。極大注入時，均勻和緩變基區(qū)晶體管，基區(qū)自建電場都由注入載流子的分布梯度dnpB(x)/dx決定。考慮到大注入電場后，電子電流密度為

大注入內建電場εBI的表達式對于均勻基區(qū)，dNAB/dx=0，上式變?yōu)?2-181)若忽略基區(qū)復合，JnB(x)=JnB(0)=JnB=常數(shù)，對上式從0~WB進行積分，并利用在正向有源區(qū)，基區(qū)邊界條件nPB（WB）＝0，(2-182）大注入正向傳輸電流密度表達式討論

小注入nPB<<NAB，

極大注入nPB>>NAB，形式上少子擴散系數(shù)乘以2，基區(qū)電流中自建電場所產生的漂移分量和分布梯度所產生的擴散分量相等，DnB→2DnB，說明大注入內建電場對注入載流子的輸運起加速作用。大注入電場對基區(qū)渡越時間的影響小注入時為大注入基區(qū)內建電勢(VBI)：大注入基區(qū)內建電場沿縱向建立的集電結勢壘邊界到發(fā)射結勢壘邊界的電勢差因為由于存在VBI，外加于基極－發(fā)射極引出端的VBE只有一部分降在發(fā)射結上，因而VBE＝VBI+VJE(VJE

被看作是“工作電壓”

)（2-195)

3）大注入電導調制基區(qū)大注入工作時，非平衡多子密度和少子密度都超過平衡多子密度，因而使基區(qū)電導率明顯增大，這就是基區(qū)電導調制小注入時，大注入時，小注入時邊界載流子(少子)密度與VJE的關系是由下式確定

3）大注入電導調制(續(xù))小注入非平衡多子密度的邊界值近似等于其平衡態(tài)值，即大注入假定發(fā)射結過渡區(qū)內玻爾茲曼準平衡近似成立，過渡區(qū)外準中性近似成立，邊界載流子密度滿足下述關系(2-198）（2-199）

發(fā)射區(qū)高摻雜，多子密度平衡態(tài)值高，未進入大注入工作狀態(tài)，因而仍可認為非平衡多子密度的邊界值近似等于平衡態(tài)值。是VjE，不是VBE

3）大注入電導調制(續(xù))圖2－31大注入時發(fā)射結勢壘兩側的載流子分布4〕大注入工作時的電流增益和正向傳輸電流(均勻基區(qū))

由于基區(qū)電導調制效應，基區(qū)電阻率ρB下降，發(fā)射效率降低，使電流增益下降，此現(xiàn)象稱為Rittner效應。

大注入自建電場，在極大注入下，電子擴散系數(shù)由DnB變成2DnB，L2nB=Dτ變成2L2nB，基區(qū)輸運系數(shù)增加，使電流增益增加。也可以這樣理解：β*=1-IrB/InB=1-τB/τnB，在極大注入下，τB變成小注入下的1/2，基區(qū)復合減小了，電流增益增加了。大注入基區(qū)內建電場減緩大電流增益的下降，通常稱此效應為Webster(韋伯斯脫)效應。（2.3節(jié)補充公式）4〕大注入工作時的電流增益和正向傳輸電流(均勻基區(qū))(續(xù))(2--182）我們知道又因為(2-212)因為，VBE==VJE+VBI：（2-213）4〕大注入工作時的電流增益和正向傳輸電流(均勻基區(qū))(續(xù))代入(2-212)得(2-214）小注入時正向傳輸電流

極大注入時帶入（2-213）式可得（2-217）4〕大注入工作時的電流增益和正向傳輸電流(均勻基區(qū))(續(xù))最后由(2-214)得出極大注入傳輸電流為(2-219)與小注入傳輸電流相比，（2-219）式形式上相當于實現(xiàn)以下代替：

i）2DnB代替DnB，

ii）ni代替npB0，

iii）VBE/2代替VBE。上述三點是Webster效應的要素。利用（2-219）式能夠解釋實際測量中發(fā)現(xiàn)的大電流時lnIC～VBE關系漸近地趨向于斜率為q/2kT直線的現(xiàn)象。極大注入小注入5）緩變基區(qū)晶體管的大注入效應小注入：大注入：基區(qū)過剩載流子電荷總量(2-235）（2-237）(2-223）5）緩變基區(qū)晶體管的大注入效應(續(xù))根據(jù)（2-24）式給出的基區(qū)渡越時間定義，Q’B表示為（2-238）將（2-237）式及（2-238）式代人（2-235）式，集電極電流表示式變成

(2-239)極大注入工作，滿足》QB0（2-240）上式表明，緩變基區(qū)晶體管極大注入工作時

這同（2-219）式所表示的均勻基區(qū)晶體管的結果是一樣的，所以大電流時的InIc～VBE測量曲線(斜率為q/2kT直線)也同樣得到了解釋。5）緩變基區(qū)晶體管的大注入效應(續(xù))緩變基區(qū)晶體管大注人工作時的電流增益：

大注入時SHR和Auger兩種復合同時起作用，過剩載流子的復合幾率為兩種機構復合幾率之和，因此，可以列出下式基區(qū)復合項可表示為

實際測量中觀察到了大電流時1/hFE與IC間為線性變化關系，根據(jù)（2-246）式，可以用大注入效應解釋這一現(xiàn)象。（2-246）②有效基區(qū)擴展效應(Kirk效應)

有效基區(qū)擴展效應是指大電流密度下BJT的有效基區(qū)隨電流密度增加而展寬，準中性基區(qū)擴展進入集電區(qū)的現(xiàn)象。C.T.Kirk首先解釋了這一效應，所以通常稱之為Kirk效應。產生有效基區(qū)擴展效應的機構主要有兩種。第一種機構是大電流時集電結N-側耗盡區(qū)中可動電荷中和離化的雜質中心電荷導致空間電荷區(qū)朝向遠離發(fā)射結的方向推移。第二種機構是電中性N-區(qū)上的歐姆壓降隨電流增加而增大，促使反偏集電結轉為零偏和正偏，晶體管進入準飽和態(tài)工作。注入電流對集電結空間電荷區(qū)電場分布的影響：對N+PN-N+四層結構，從發(fā)射結注入的電子，在通過集電結電荷區(qū)時，對耗盡區(qū)的正(n側)負(p側)空間電荷分別起著中和和添加作用。使n側正空間電荷密度減小，p側負空間電荷密度增加，電場分布發(fā)生變化。若載流子以速度v通過空間電荷區(qū)，則空間電荷區(qū)自由電子密度為nc，◆均勻基區(qū)晶體管，電中性條件大電流下，空穴的注入使得大電流下電中性正電荷密度增加負電荷密度減少②有效基區(qū)擴展效應(Kirk效應)圖2－35強場情形下集電結過渡區(qū)電場分布J=Ja,Jb時，N側的空間電荷為正，最大電場在PN處。J=J0，nC=NC時，dε/dx=0J=J1，

nC>NC時，N區(qū)變成帶負電的空間電荷區(qū)，最大電場在N-N+處，PN結面電場變?yōu)榱恪>J1，電場為零處發(fā)生在N-區(qū)，WCIB區(qū)為電中性區(qū)－基區(qū)擴展區(qū)。

J1規(guī)定為有效基區(qū)擴展效應開始起作用的臨界電流密度。CIB:CurrentInductionBase電流感應基區(qū)②有效基區(qū)擴展效應(縱向Kirk效應)續(xù)J1≈J0=qNcvl

Vl

載流子的極限漂移速度在弱場情況：(續(xù))

BJT在準飽和區(qū)工作時，正偏集電結向輕摻雜N－區(qū)注入空穴，使得N－區(qū)靠近集電結勢壘邊界附近積累了大量過?？昭ǎ谕粎^(qū)域內還積累了數(shù)量相等的過剩電子，維持該區(qū)域處于準中性狀態(tài)。N－區(qū)主要是中性電導調制區(qū)及歐姆導電區(qū)，電導調制區(qū)積累了過剩載流子，又是準中性的，同有效基區(qū)十分相似，所以通常將此區(qū)域也稱作電流感應基區(qū)，并用WCIB表示其寬度。歐姆導電區(qū)的寬度為WC－WCIB?？紤]到電導調制區(qū)電阻與歐姆區(qū)電阻相比很小，可以認為外加VCB大部分降落在歐姆導電區(qū)上，因而可寫出（2-260）②有效基區(qū)擴展效應(縱向Kirk效應)續(xù)發(fā)射區(qū)中心部分注入到基區(qū)的少子可看作是沿垂直于PN結平面方向運動，但是在內基區(qū)到外基區(qū)交界處由于存在平行于結平面方向的密度梯度，所以載流子的運動是二維的，如果將發(fā)射結的側向注入考慮進去，可以預期注入到基區(qū)的載流子將呈現(xiàn)放射狀分布，我們稱這種現(xiàn)象為基區(qū)橫向擴展。由于橫向擴展，邊緣部分少子渡越基區(qū)的距離增大，渡越時間加長，從而使器件的基區(qū)平均渡越時間增加，基區(qū)輸運系數(shù)下降。圖2－38基區(qū)橫向擴展模型②有效基區(qū)擴展效應(縱向Kirk效應)續(xù)Kirk效應對器件特性的影響大注入，用2DnB代替DnB大電流，增大，基區(qū)復合增大，基區(qū)輸運系數(shù)減小，電流增益下降。基區(qū)復合較大的晶體管，根據(jù)上述分析可解釋大電流下電流增益下降的現(xiàn)象基區(qū)渡越時間增加，特征頻率下降，fT∝1/τB。②有效基區(qū)擴展效應(縱向Kirk效應)續(xù)③發(fā)射極電流集邊效應

大電流下，較大的平行于結平面的基極電流(多子電流)在狹長的基區(qū)電阻rb上將產生橫向壓降，使發(fā)射結的正向偏置電壓從邊緣到中心逐漸減小，發(fā)射極電流密度則從中心到邊緣逐漸增大，由此產生發(fā)射極電流集邊效應(也稱基區(qū)電阻自偏壓效應)發(fā)射極有效條寬(2Seff)：規(guī)定：發(fā)射極中心到邊緣處的橫向壓降變化kT/q時所對應的發(fā)射極條寬為發(fā)射極有效條寬。通常用2Seff表示。③發(fā)射極電流集邊效應(續(xù))發(fā)射極有效條長(Leff)：與基極電阻自偏壓效應類似，在大電流下發(fā)射極電流在金屬電極條長方向引起壓降，引起發(fā)射結偏壓在條長方向分布不均勻，所不同是前者引起發(fā)射結基區(qū)側電位不均勻，后者改變的是發(fā)射區(qū)側的電位。電極端部至根部兩處的電位差等于kT/q時所對應的發(fā)射極長度稱為發(fā)射極有效條長Leff發(fā)射極金屬條的等效電阻為：若發(fā)射極由n條并聯(lián)而成，則③發(fā)射極電流集邊效應(續(xù))

求發(fā)射極單位周長電流容量－－線電流密度I0由于電流集邊效應，使得在大電流下晶體管的電流容量不取決于發(fā)射區(qū)面積而是取決于發(fā)射極周長，因此定義線電流密度：

由此可知，影響I0的主要因素是：1）JCM，決定于電流上升時首先起作用的大電流效應。2）hFE，hFE值愈低(或頻率越高)則I0愈小。3）ROB，其值愈高則I0愈小。③發(fā)射極電流集邊效應發(fā)射極單位周長電流容量－線電流密度I0(續(xù))如果已知I0，乘以發(fā)射區(qū)長度LE，即可直接得出最大工作電流。

在設計雙極晶體管圖形時，I0通常采用下列經(jīng)驗值：

放大用BJTf＝（20～400）MHzI0＝（0.08～0.16）mA／μmf>400MHzI0=（0.04～0.08）mA／μm

開關用BJTI0=（0.16～0.40）

mA／μm除最大工作電流以外，發(fā)射極電流集邊效應還影響B(tài)JT的其它參數(shù)，其中主要包括：

1）減小基極電阻。

2）增大集電區(qū)串聯(lián)電阻和飽和壓降。I0經(jīng)驗值（0.1mA/μm）③發(fā)射極電流集邊效應(續(xù))在發(fā)生發(fā)射極電流集邊效應時，電流－電壓關系變化規(guī)律：這樣，我們就證明了在強集邊條件關系是成立的。2

基區(qū)寬變效應(Early效應)

工作在正向有源區(qū)的BJT的集電結，其空間電荷區(qū)寬度及基區(qū)一側的擴展距離，隨反偏電壓數(shù)值增大而增大，有效基區(qū)寬度因而隨之減小，通常將有效基區(qū)寬度隨集電極——基極偏壓變化，并影響器件特性的現(xiàn)象稱作基區(qū)寬度調變效應。J.M.Early首先分析了這種效應，所以也稱之為Ear1y效應。W'BW'BWBWBxNNP00nB(x)2

基區(qū)寬變效應(Early效應)

Ear1y效應在以下五個方面影響器件特性①共發(fā)射極工作以及共基極工作時的低頻輸出電導不等于零。②基區(qū)渡越時間τB都受VCB調制，VCB增加使WB減小，因而基區(qū)渡越時間縮短。③影響共發(fā)射極低頻反向轉移導納。反向轉移導納等于輸入電流增量與輸出電壓增量之比，即ΔIB/ΔVCB，電壓增量ΔVCB，將相應地產生輸入電流增量ΔIB。2

基區(qū)寬變效應(Early效